10 августа 2000 года, согласно плану учений Северного флота, "Курск" вышел на учебную задачу недалеко от Кольского залива. Необходимо было произвести пуск крылатой ракеты и учебную торпедную стрельбу по отряду боевых кораблей. На борту лодки было 24 крылатые ракеты П-700 "Гранит" и 24 торпеды. Командовал кораблём капитан 1-го ранга Геннадий Лячин.
Утром 12 августа крейсер условно атаковал крылатой ракетой "Гранит" эскадру во главе с авианосцем "Адмирал Кузнецов" и флагманом флота атомным крейсером "Петр Великий". "Курск" должен был в 9:40 начать подготовку, а с 11:40 до 13:40 осуществить учебную атаку авианесущей группы кораблей. Последние записи в журналах помечены 11 часами 15 минутами.
В 11:28 гидроакустик на крейсере "Петр Великий" зафиксировал хлопок, после чего корабль ощутимо тряхнуло. Командир "Петра Великого", капитан 1-го ранга Владимир Касатонов, выслушав доклад о хлопке, не придал ему значения. Командующий Северным флотом Вячеслав Попов, также находившийся на крейсере, поинтересовался, что произошло. Ему ответили: "включилась антенна радиолокационной станции".
Наблюдатели в назначенное время торпедных атак не обнаружили. На командном пункте надводников всплытия атомохода не видели, доклада на УКВ по результатам выполнения учебно-боевого упражнения не получали. В 14:50 корабли и вертолеты из состава ОБК по приказанию КП флота осмотрели район возможного нахождения и всплытия АПРК "Курск". "Курск" не вышел на связь в установленное время - 17:30. О крушении "Курска" военному руководству стало известно вечером, когда в 23:00 командир подлодки повторно не вышел на связь. В 23:30 АПРК "Курск" в соответствии с требованиями нормативных документов была объявлена "аварийной".
Утром следующего дня, 13 августа, на поиски пропавшей подлодки отправилась группа кораблей во главе с Вячеславом Поповым. В 04:51 "Курск" был обнаружен гидроакустической аппаратурой крейсера "Петр Великий", лежащим на грунте на глубине 108 метров. Вместе с лодкой погибли все находившиеся на ее борту 118 человек.

Спасательные работы велись силами Северного флота и проходили в период с 13 по 22 августа, но оказались безуспешными. Применялись подводные аппараты (автономные снаряды) АС-15, АС-32, АС-34 и АС-36.
20 августа к работам допустили норвежское судно "Seaway Eagle", водолазы с которого смогли вскрыть кормовой аварийно-спасательный люк АПРК на следующий день.
В операции по подъему тел подводников и секретных документов затонувшего атомохода "Курск" участвовали 6 российских и 6 норвежских водолазов. Норвежские водолазы сделали технологические вырезы в лёгком и прочном корпусах в районе 8-го, 3-го и 4-го отсеков. Затем внутри "Курска" для подъема тел погибших и секретных документов работали российские водолазы, прошедшие подготовку в составе 328-го экспедиционного аварийно-спасательного отряда ВМФ на аналогичной "Курску" К-266 "Орёл".

Возможные причины гибели.

Взрыв учебной торпеды
Официальный отчёт, подготовленный в 2002 году генпрокурором Устиновым: в 11 часов 28 минут 26 секунд по московскому времени произошёл взрыв торпеды 65-76А ("Кит") в торпедном аппарате № 4. Причиной взрыва стала утечка компонентов топлива торпеды (пероксид водорода). Через 2 минуты пожар, возникший после первого взрыва, повлек за собой детонацию торпед, находившихся в первом отсеке лодки. Второй взрыв привёл к разрушениям нескольких отсеков подводной лодки.

Торпедирование
Сразу после катастрофы несколько адмиралов и официальных лиц утверждали, что "Курск" был торпедирован американской подводной лодкой. Затем эта версия стала умалчиваться в пользу официальной версии. Однако французский режиссёр Жан-Мишель Карре, в своём фильме "Курск. Подводная лодка в мутной воде", который был показан 7 января 2005 на французском телевидении France 2, утверждает, что "Курск" был торпедирован американской подводной лодкой "Мемфис". Согласно его версии, "Курск" выполнял показательный выстрел новой торпеды "Шквал", эти испытания наблюдались двумя американскими подводными лодками "Мемфис" и "Толедо".
"Толедо" шёл на опасной близости под прикрытием "Мемфиса", который находился "в тени". В один момент "Курск" и "Толедо" столкнулись, (видеозапись лежащего на дне "Курска" показывает длинные разрывы на его корпусе) и, чтобы предотвратить выстрел "Курска" в "Толедо", (предполагается, что было услышано открытие трубы торпедного аппарата "Курска"), "Мемфис" открыл огонь торпедой Mk-48 по "Курску".
Этой же версии придерживаются канадские документалисты и некоторые отставные военные.

Мина времён 2-й мировой войны
Вице-премьер Илья Клебанов высказал версию столкновения "Курска" с противокорабельной миной времён Великой Отечественной войны, что, возможно, привело также к детонации торпеды. После выбора официальной версией "взрыва торпеды" предположение отпало само собой.
Специалисты, знакомые с прочностными характеристиками АПЛ данного класса, данную версию отвергали изначально.

Столкновение с подводным объектом
Один из членов государственной комиссии, который принимал эту подлодку от промышленности, капитан первого ранга Михаил Волженский считает, что торпеду в аппарате могло заклинить из-за сильного механического удара по корпусу лодки. Волженский считает наиболее вероятной причиной катастрофы столкновение с иностранной подводной лодкой. По его мнению, "скользящий удар рулевого пера (горизонтальных рулей) мог привести к сильной деформации торпедных аппаратов "Курска".
Действительно, обе практические торпеды: УСЭТ-80 и 65-76, как правило, заряжают в правые торпедные аппараты (ТА). При столкновении под острым курсовым углом с иностранной АПЛ первым был бы смят как раз правый внешний ТА калибра 650 мм, в котором и лежала практическая торпеда 65-76. При скорости относительного встречного сближения подлодок около 20 узлов (10 м/с), этот ТА был смят вместе с торпедой за одну секунду. За эту секунду почти мгновенно в замкнутом объёме соединились весь запас топлива (керосин) и окислителя (перекись водорода), что привело к их взрывному воспламенению, усиленному взрывом порохового ускорителя, установленного в хвостовой части торпеды. Давление корпуса иностранной АПЛ от головы торпеды к её хвостовой части направило этот взрыв (эквивалентный взрыву 150 кг тротила, как зафиксировала норвежская сейсмическая станция) на заднюю крышку ТА, которая была вырвана, и форс огня ударил в первый отсек, что мгновенно привело к пожару.

Попадание ракеты
Капитан первого ранга Александр Лесков, указывая на то, что подводная лодка такого размера не имела права находиться под водой в этом месте по физическим причинам, выдвинул предположение, что в лодку попала противокорабельная баллистическая ракета. Однако председатель Санкт-Петербургского клуба моряков-подводников капитан 1-го ранга Игорь Курдин сказал, что эта версия - "полный бред".
8 сентября 2000 г. в газете "Berliner Zeitung" появилась статья с версией о том, что "Курск" был потоплен случайным попаданием ракеты П-700 "Гранит", снабжённой новой боеголовкой, предназначенной для поражения подводных целей, запущенной с атомного ракетного крейсера "Петр Великий".

Разрушения
Первый взрыв вызвал интенсивный пожар в первом отсеке, ударная волна прошла во второй отсек. По трубопроводам вентиляции запах гари был заброшен в другие отсеки.
Вторым взрывом была срезана переборка между первым и вторым отсеками, которая, двигаясь как поршень, сминала оборудование и 22 мм настилы, срезала вварыши в прочный корпус. После подъёма переборка первого/второго отсеков была обнаружена на месте переборки второго/третьего отсеков. Вторая ударная волна была остановлена лишь кормовой переборкой 5-бис отсека. Переборка была выгнута дугой, но выдержала.

В результате операции подъёма лодки "Курск" были найдены и захоронены 115 тел погибших моряков-подводников. Три тела найти так и не удалось. Со дна Баренцева моря были эвакуированы потенциально опасный боезапас лодки и два ядерных реактора. Изучение лодки в сухом доке дало возможность с высокой степенью точности восстановить последовательность трагических событий последних часов жизни лодки и её экипажа, а также установить причину катастрофы.
По словам одного комментатора, после подъёма в отсеках стоял сильный запах, в некоторых отсеках была большая концентрация угарных газов. 9-й отсек по пояс был заполнен мазутом, водой и прочими веществами, 5-й и 6-й были относительно чистые, там практически отсутствовала вода и угарный газ.
В переборках между отсеками есть герметичные межпереборочные стаканы, предназначенные для сохранения предметов в случае непредвиденных ситуаций. Между 8-м и 9-м отсеками их было два, в обоих оказались только предусмотренные регламентом чистые листы бумаги с карандашами.
Было установлено, что в 4-м отсеке находилось больше людей, чем там должно было находиться.