Экипаж 126 авиаотряда произвел взлет в а/п Шереметьево в 03:12. Эшелон полета был 6 000 м над облаками. В ходе полета экипаж запрашивал разрешение занять эшелон 8 000 м, ссылаясь на повышенный расход топлива, но получил отказ, поскольку эшелон 8 000 м занимал самолет Ту-104 №42418, следовавший по той же воздушной трассе в попутном направлении. В 04:15 экипаж Ту-104 доложил пролет Канаша, опережая Ил-18 на 40-50 км, и в 04:22 экипаж Ил-18 получил разрешение занять освободившийся эшелон 8 000 м. В 04:26 экипаж Ил-18 доложил пролет Лаишево на высоте 7 500 м в наборе до 8 000 курсом на Мамадыш. Это было последнее сообщение с борта. В 04:30 экипаж на вызов не ответил.
    После восхода солнца обломки самолета обнаружили на заснеженном поле в 54,5 км восточнее Лаишево (82 км юго-восточнее Казани) в районе сёл Урахча и Николаевка Пестречинского (ныне Рыбно-Слободского) района Татарской АССР. На месте первоначального удара о землю остался отпечаток полного профиля крыла. В результате столкновения и последующего взрыва самолет полностью разрушился. Обломки были разбросаны на расстоянии 800 м от места столкновения с землей с МК=75° (магнитный курс трассы - 62°) и на 250 м в ширину. Двигатели были отброшены на расстояние 600 м от места первоначального столкновения с землей, которое произошло с небольшим отрицательным углом тангажа и практически без крена с убранными шасси и закрылками. Установлено, что двигатели №3 и 4 в момент столкновения с землей не работали. Их воздушные винты были зафлюгированы. Двигатели №1 и 2 работали на номинальном режиме. Самолет перешел в снижение с высоты 7 800 м со средней вертикальной скоростью около 30 м/с (снижение продолжалось в течение 4-4,5 минут). Средняя истинная скорость полета составляла 650 км/ч. Столкновение с землей произошло на скорости 500-600 км/ч.
    Фактическая погода на момент происшествия: облачность 10 баллов, слоисто-дождевая высотой 200-300 м, верхняя граница 7 500 м, видимость 6-8 км, ветер 160°.
    При исследовании останков пассажиров не было обнаружено признаков баротравм, из чего сделан вывод, что разгерметизации в полете не было. Метеоусловия обеспечивали нормальное выполнение полета и не могли являться причиной катастрофы. При подходе к земле самолет был управляем, о чем свидетельствует подведение его к земле без крена с относительно малым углом траектории. В этих условиях пилотирование самолета было значительно затруднено полетом в облачности, а вывод из крутого снижения – малой высотой нижней кромки облачности (200-300 м) в районе происшествия при запаздывании показаний высотомеров.
    Технической комиссией установлено, что винты двигателей №3 и 4 встали во флюгер автоматически или с помощью кнопок КФЛ-37. Двигатель №3 был выключен позже двигателя №4. Раскрутки воздушных винтов перед отказом двигателей не было. После схода снежного покрова местными жителями на удалении 11-12 км от места происшествия со стороны следования самолета были найдены левый и правый концевые элероны. Других разрушений конструкции самолета в воздухе не было.