Алексей Леонов был одним из немногих космонавтов, считавших пилотирование вертолетов стоящим делом. Он участвовал в испытаниях, где отрабатывались маневры для будущей посадки на Луну с помощью специально переоборудованных вертолетов в качестве несложных имитаторов аппарата вертикального спуска. Утром 27 марта он руководил группой космонавтов, совершавших тренировочные прыжки с парашютом на аэродроме в Киржаче, в 13 километрах от Чкаловского, откуда поднялись Серегин и Гагарин. Погода быстро ухудшалась, и он напряженно вел тяжелый вертолет, пытаясь найти просвет в облаках, чтобы сбросить своих парашютистов.
Высота нижней кромки облаков составляла 450 метров, видимость была отвратительная. По крыше кабины барабанил дождь, а потом пошел мокрый снег. Леонову удалось запустить первую команду парашютистов, но видимость быстро ухудшалась. Наземные метеослужбы сообщили ему, что в ближайшее время улучшения погоды не ожидается, и он повел вертолет обратно в Киржач, хотя половина парашютной группы еще оставалась на борту. «Через какие-то секунды после приземления мы услышали два взрыва — точнее, взрыв и хлопок, характерный для самолета, переходящего звуковой барьер. Мы недоумевали: что это? Взрыв или хлопок? Я сказал, что это, видимо, и то и другое, что это как-то связано. Два звука разделяла какая-то секунда».
Чкаловский находился за горизонтом, в тринадцати километрах, к тому же звуки приглушала сырая погода, но даже на таком расстоянии они были вполне различимы. Леонов забеспокоился. Он прекрасно знал, что Гагарин сегодня в воздухе. На свою ответственность Леонов, несмотря на метеоусловия, отправился на вертолете в Чкаловский. По пути он заметил, что наземные службы то и дело выкликают «625-й!» — позывной Гагарина. Как только Леонов приземлился в Чкаловском, командир авиаполка подошел к нему и сообщил: «Юра не вернулся на аэродром, хотя горючее у него должно было кончиться еще сорок пять минут назад».
Леонов решил изложить начальству свою теорию. «Я пошел в диспетчерскую, там был Николай Каманин. Я ему сказал: „Может быть, странно такое говорить, но я слышал взрыв и хлопок от сверхзвуковой волны“. Я дал ему прикидку (направление по азимуту), откуда, как мне казалось, слышались звуки».
Поисковый вертолет отправился на облет района, где машину Гагарина видели на экране радара последний раз — в 96 километрах к северо-востоку от Москвы. Пилот летел низко над землей, и вскоре он обнаружил участок леса с черной проплешиной взрытой земли, испускавшей какой-то пар, но видимость по-прежнему была плохая, и он не знал, точно ли это место катастрофы. Леонов говорит: «Вертолетчик решил, что этот пар — какое-то природное явление. Ему приказали совершить посадку и обследовать участок пешком. В лесу трудно было отыскать место для посадки, так что пилот нашел ближайшее открытое место около церкви и сел там». Чтобы добраться до леса, где он видел дым, ему, по всей видимости, целый час пришлось пробираться по снегу, глубина которого кое-где достигала метра. Найдя то, что нужно было найти, он с трудом вернулся к своему вертолету и доложил обстановку по рации: обнаружена большая воронка, сообщил он, и земля из нее разбросана по значительной территории. Некоторые деревья по периметру сломаны, весь участок засыпан кусочками искореженного металла. Очевидно, здесь произошла авиакатастрофа, но основной части самолета в воронке не видно — ни фюзеляжа, ни главного двигательного отсека.
Гагарин и Серегин потеряли связь с наземными службами Чкаловского в 10:31 утра. К тому времени, когда вертолетчик добрался до места аварии, передал свой рапорт и вызвал спасательную группу, оснащенную должным образом, было уже около 16:30. Серый зимний свет, и без того скудный, быстро мерк. Поисковая команда прибыла с мощными фонарями, но в зимней тьме от них было мало проку. К сумеркам поисковики идентифицировали клочки одежды Владимира Серегина и обломки гагаринского планшета с картой, но не нашли ни единого фрагмента их тел или главных частей самолета. «Всю ночь два батальона солдат прочесывали лес, но ничего не обнаружили, — рассказывает Леонов. — А назавтра мы стали раскапывать воронку глубже и нашли клочья гагаринской летной куртки. Стало понятно, что наши где-то здесь. Они не катапультировались».
Передняя часть самолета при ударе ушла под тяжестью массивного двигательного узла в землю на несколько метров. Спасательной группе пришлось выкапывать кабину из твердой промерзшей земли. Кабина была расплющена, тела двух пилотов жестоко искорежены. Потрясенные, подавленные, спасатели много часов извлекали отдельные пальцы рук и ног, куски ребер, осколки черепов — из воронки, с прилегающих участков земли, даже с деревьев: теперь стало ясно, что искать. Некоторые деревья пришлось свалить, чтобы достать маленькие кусочки металла, ткани и человеческих тел, застрявшие в верхних ветвях. Стало понятно, что удар самолета о деревья нанес чудовищные повреждения кабине еще до того, как финальное столкновение с землей окончательно сокрушило ее.