Так или иначе, в 12 часов 58 минут Чкалов выполнил взлет на И-180. Первый круг он сделал над аэродромом, но на второй пошел с большим удалением, на высоте примерно 2000 м, что было явным нарушением полетного задания, и издали стал планировать на ВПП. Но глиссада оказалась круче, чем предполагал летчик. Нужно было "подтянуть", и при даче газа мотор остановился. Когда до полосы оставалось немногим более 500 метров, стало ясно, что посадки среди различных построек не избежать. Уклониться от столкновения с крышей барака Чкалову удалось, но по курсу возникла опора ЛЭП. И-180 врезался в нее центропланом, пилота выбросило из кабины, он упал на землю и, ударившись о металлическую балку, разбил голову. Упади он хоть чуточку дальше… Через 2 часа Валерий Павлович скончался в Боткинской больнице.

Причиной катастрофы правительственная комиссия назвала остановку мотора вследствие его переохлаждения из-за отсутствия лобовых жалюзей. Сейчас высказываются и другие, не связанные с переохлаждением причины остановки двигателя. В частности то, что мотор мог заглохнуть из-за резкого перемещения Чкаловым сектора газа при попытке "подтянуть" — такой недостаток был характерен для советских двигателей воздушного охлаждения. Иногда указывают на возможные неполадки в системе управления двигателем, вспоминая поломку 12 декабря. Но как писал Д.Л. Томашевич известному летчику А.Н. Грацианскому, приехав на место падения И-180, он сам убедился в исправности сектора газа на разбитом самолете.

Представляется, что поиск причин остановки мотора сегодня менее актуален, чем в 1938 г., когда испытания должны были продолжиться на втором экземпляре истребителя. Более важно оценить степень неизбежности катастрофы и ее последствия.

Сразу после гибели Чкалова арестовали С.И. Беляйкина, директора завода № 156 М.А. Усачева, начальника ЛИС завода В.М. Парая, заместителя Поликарпова Д.Л.