Экипаж выполнял учебный полет по маршруту Кировоград – Сухуми – Кировоград с работой в районе а/п Сухуми. Ввиду загруженности а/п Сухуми работы в его районе не выполнялись. Экипаж приступил к подготовке к полету на Кировоград. В 20:25 мск (21:25 мест. вр) в районе аэродрома была следующая фактическая погода: облачность 9/9 баллов кучево-дождевая высотой 330 м, гроза нf востоке, слабая дымка, видимость 7 км, ветер 290° 3 м/с. С 20:25 по 21:25 – гроза по району аэродрома. Метеолокатор на аэродроме не работал. На исполнительном старте диспетчер передал: «397, по вашим средствам посмотрите, метеолокатор не работает, ваше решение?». КВС-инструктор ответил: «Нормально, хватит нам взлететь, там отвернуться можно». Диспетчер разрешил взлет, который был произведен в 20:38 мск (21:38 мест. вр.) с МК=297°. После отрыва самолет перешел в набор высоты с вертикальной скоростью 5 м/с. В процессе набора высоты КВС-инструктор оценивал метеообстановку по бортовому радиолокатору. К моменту достижения высоты 120-130 м скорость полета увеличилась до 250 км/ч. В момент уборки закрылков за 20 сек. до конца полета вертикальная скорость уменьшилась, что сопровождалась увеличением скорости полета. За 14-15 сек. до конца полета началось снижение самолета с вертикальной скоростью около 10 м/с. Скорость полета продолжала увеличиваться. За 5 сек до конца полета экипаж взял штурвал на себя, что создало перегрузку при ударе о воду 1,85 ед. Самолет в полетной конфигурации, со скоростью 370 км/ч, углом тангажа около 0° и креном 0° столкнулся с поверхностью моря в 690 м от береговой черты с азимутом 297° от КТА (без уклонения от курса взлета), разрушился и затонул.
    Примерно через час после катастрофы прибывшей лодкой был подобран из воды КВС-инструктор, получивший тяжелые ранения и державшийся на воде за плавающий обломок самолета. Он дал показания, что после пролета высоты 120 м его как будто ударили по голове, после чего он ничего не помнит и очнулся уже в воде. Травмы КВС-инструктора показали, что в момент катастрофы он не находился в активной рабочей позе. По травмам на его голове установлено, что он ударился о тубус бортового радиолокатора, материал которого обладает демпфирующими свойствами. Фактических данных, свидетельствующих о внезапной потере им работоспособности, не установлено, но ряд косвенных факторов не исключает этого:
    а) отсутствие активной рабочей позы;
    б) отсутствие адекватной реакции на снижение самолета;
    в) показания о внезапной потере сознания после прохода высоты 120 м.
    Обломки самолета были разбросаны по дну моря на 150 м в длину и на 60-70 м в ширину. Основные части самолета и его узлы и агрегаты, а также 5 из 6 тел погибших были найдены и подняты на поверхность.