17 сентября Douglas DC-6B, бортовой номер SE-BDY, Организации Объединенных Наций, зафрахтованный у шведской авиакомпании Transair Sweden, вылетел из Леопольдвилля в 16:51 и взял курс на Ндолу. Управлял самолетом опытный шведский экипаж из 6 человек.
Из пассажиров, помимо Хаммаршельда, на борту присутствовал его консультант, американский (немецкий) историк Генрих Вишхофф, американский советник Владимир Фабри, канадский секретарь возглавлявшего в тот период миссию ООН в Конго шведского дипломата Стуре Линнера Элис Лаланд, а также личный помощник Хаммаршельда американец Уильям Раналло и пятеро военных - трое из ONUC (миротворческая миссия ООН в Республике Конго, два американца и француз) и двое из шведского батальона в Леопольдвилле.
В 22:40, долетев до озера Танганьика, самолет некоторое время летел над ним, затем повернул на юг. В 23:35 пилот сообщил авиадиспетчеру в Ндоле, что расчетное время прибытия - вскоре после полуночи. В 00:10 18 сентября пилот сообщил авиадиспетчеру, что видит огни аэропорта, затем связь прервалась. Обломки самолета были найдены в 15 км от аэропорта. Судя по найденным остановившимся часам, катастрофа произошла в 00:13.

По официальной версии, обломки самолета были найдены только через 16 часов после катастрофы. По неофициальным сведениям, местные жители уже в пять утра видели, что район падения самолета был оцеплен военными.
Обгоревшие тела 14 человек были найдены среди обломков. Труп Дага Хаммаршельда с многочисленными повреждениями, в том числе с множественными переломами позвоночника, был найден на некотором расстоянии от самолета (этот факт был объяснен тем, что Хаммаршельд не любил пользоваться ремнями безопасности). В стороне от обломков был найден единственный оставшийся в живых после падения пассажир - сержант Гарри Джулиен из службы безопасности ООН; он находился в тяжелом состоянии и от полученных ран через 5 дней скончался в больнице, успев ответить на несколько вопросов, но так и не дав какой-либо информации, которая могла бы прояснить причины катастрофы.
Было проведено шесть официальных расследований. В ходе расследования выдвигались многочисленные версии, среди которых:

техническая неисправность,
диверсия (заложенная бомба),
нехватка топлива,
усталость пилотов,
самоубийство Хаммаршельда,
обстрел самолета тем единственным военным самолетом, который имелся у повстанцев Катанги.

Однако ни для одной из них не нашлось убедительных доказательств. В качестве наиболее вероятной причины катастрофы была названа следующая: самолет Хаммаршельда заходил на посадку на слишком низкой высоте и задел деревья.

Помимо официальных расследований, было проведено несколько неофициальных. В частности, 17 августа 2011 года английская газета "The Guardian" рассказала о расследовании, которым последние три года занимается шведский сотрудник одной из гуманитарных организаций Йоран Бьеркдаль. В частности, он нашел нескольких местных жителей, которые были свидетелями авиакатастрофы, и взял у них показания. Самолет ООН, по словам некоторых из них, упал после того, как по нему открыл огонь другой самолет меньшего размера. Еще одной деталью в рассказах свидетелей, которая отличалась от официальных сведений, стала информация о том, что они пытались на рассвете (в 5-6 часов утра) пройти к месту падения самолета, однако там, по их словам, уже были военные (по официальной информации, первые военные прибыли на место крушения только во второй половине дня).

Расследованием причин катастрофы занимались немецкие, чехословацкие и советские специалисты. Также поначалу в процесс изучения обломков активно вмешивались американские военные. К тому же данный самолет не был оборудован какими-либо бортовыми самописцами. Очевидцы на земле слышали громкий гул моторов, что могло свидетельствовать о быстром снижении, который затем прекратился, но следом раздались хлопки или взрывы. Те очевидцы, которые видели сам самолет, говорили, что тот падал по спирали и из его крыла или двигателей виднелось пламя. Согласно показаниям чехословацких радаров, после прохождения Байройта авиалайнер перешел в резкий спуск и за 1 минуту снизился на 1500 футов (457 м). Затем он развернулся на юг и распался в воздухе. Общий разброс обломков составил 5 километров.

Немецкая версия

Согласно выводам немецких следователей, точная причина катастрофы не может быть установлена, есть лишь версия, что самолет распался в воздухе из-за колоссального аэродинамического сопротивления, вызванного резким снижением, которое, в свою очередь, могло быть либо непреднамеренным, либо намеренным экстренным. Так непреднамеренное снижение могло быть вызвано сбоем в работе авиагоризонтов (из-за их отказа или потери электропитания) или управляющих плоскостей (элероны, рули направления и высоты), либо потери у обоих пилотов возможности управлять самолетом (например, потеря сознания). Контраргументом к последней версии может служить то, что оба пилота перед вылетом проходили медицинское освидетельствование и были признаны здоровыми. К тому же вероятность того, что все находящиеся в кабине потеряют сознание (кроме пилотов, в кабине были также штурман, бортинженер и бортрадист), почти равна нулю. Да даже если бы это произошло, к примеру, из-за декомпрессии, то самолетом в тот момент управлял автопилот.
Также снижение могло быть намеренным, когда пилотам пришлось прибегнуть к экстренному снижению, но переоценили возможности конструкции планера, разогнав его до закритической скорости. Такое снижение могло быть вызвано сильным задымлением или наличием открытого огня. Однако на обломках и на телах жертв не было обнаружено никаких признаков пожара на борту, либо еще каких-либо воздействий, которые заставили бы экипаж применить экстренное снижение. К тому же оба пилота налетали на самолетах примерно по полторы-две сотни часов, то есть не были новичками.
После изучения обломков немецкие следователи пришли к выводу, что наиболее вероятной причиной катастрофы стало внезапное отклонение руля высоты на пикирование, что и ввело авиалайнер в крутое снижение. Среди первопричин этого может быть сбой в работе автопилота.

Советско-чехословацкая версия

Советско-чехословацкие специалисты раскритиковали немецкую версию и выдвинули версию, что самолет падал уже поврежденным, так как был сбит немецкими или американскими войсками. Согласно данной версии, произошел внешний взрыв с левой стороны, который повредил левую плоскость крыла и хвостовое оперение, что и привело к переходу в пикирование. В то же время данной версии противоречил советский отчет 1961 года, в котором было указано, что по результатам изучения обломков следов поражения самолета стрелковым оружием или ракетой не обнаружено. Поэтому осенью 1962 года чехословацкая сторона отправила в ICAO несколько технических комментариев к окончательному докладу, который был принят без замечаний. Фактически через 2,5 года после катастрофы чехословацкие специалисты признали версию немецкой стороны.

По мнению Мирослава Ворачека - бывшего члена Комиссии по расследованию данной катастрофы, наиболее вероятно, что катастрофа была вызвана плохой настройкой триммера руля высоты, или ее автоматическим смещением и последующим отключением автопилота. Эту же версию поддерживали и отдельные бывшие чехословацкие летчики и инструкторы, работавшие на Ил-18.