На 8-ой секунде после отрыва и уборки шасси сработала сигнализация пожара в двигателе №1. Экипаж доложил о пожаре, согласно РЛЭ выключил двигатель и применил три очереди системы пожаротушения. Через 30 секунд сработала сигнализация о пожаре в двигателе №2, который также был выключен. Экипаж приступил к выполнению правого разворота для захода на посадку курсом, обратным посадочному. К моменту выключения двигателя №2 скорость была 320 км/ч, высота около 160 м, шасси убраны, закрылки во взлетном положении (30°). Экипаж применил рекомендованную РЛЭ методику пилотирования с креном и скольжением в сторону работающих двигателей. Пролетая над густонаселенной местностью, экипаж стремился не допустить значительной потери высоты в целях предотвращения столкновения с препятствиями, что в условиях недостатка располагаемой тяги при двух выключенных двигателях привело к уменьшению скорости, увеличению углов атаки и скольжения, потере боковой управляемости и последующему сваливанию самолета на высоте 75 м над уровнем препятствий. Вывод самолета из сваливания был невозможен. В процессе падения левый крен достиг более 70°, вертикальная скорость – 25 м/с, угол тангажа - 20°. Самолет упал в заболоченный лес между Менделеево и деревней Клушино через 2 минуты 35 секунд после начала аварийной ситуации на удалении 11,4 км от аэропорта, разрушился и сгорел. Первыми к месту падения прибежали жители поселка Менделеево – увидев зарево, они решили что загорелись их расположенные в том же направлении сараи. Но они могли лишь смотреть как в лесу догорают остатки самолета. В этой катастрофе никто не выжил.

Комиссия, расследовавшая эту катастрофу, установила что все четыре двигателя Ил-62 не имели неполадок. Срабатывание пожарной сигнализации оказалось ложным и было вызвано попаданием горячего воздуха из треснувшего трубопровода на датчики температуры, которые и выдали сигнал о пожаре. После этой катастрофы в руководства по летной эксплуатации были внесены изменения, позволяющие несколько минут не выключать второй двигатель в подобных обстоятельствах.