В день гибели первого космонавта мира, 27 марта 1968 года, Леонов находился на аэродроме Киржач во Владимирской области, откуда Гагарин вылетел в свой последний полет на самолете МиГ-15УТИ.
Через некоторое время находившиеся на аэродроме услышали взрыв. «Мы стояли возле КДП (командно-диспетчерского пункта) и услышали двойной взрыв и сверхзвук», — вспоминает космонавт, уточняя, что временной промежуток между взрывом и сверхзвуком был полторы-две секунды. Леонов и присутствовавшие при этом другие летчики сразу решили, что источником сверхзвука был один объект, а взрыва — другой.
В официальном заключении комиссии причиной крушения пилотируемого Гагариным МиГа-15 названо сближение с другим самолетом и резкое уклонение от него. Причем Леонов считает, что истинным виновником трагедии был тот неизвестный самолет. «Однозначной причиной гибели стал летчик, который опустился ниже 400 метров под облака, включил форсаж и прошел рядом, не видя Гагарина», — заявил космонавт. По словам Леонова, это был самолет Су-15 — он пронесся на скорости звука в полутора десятках метров от самолета Гагарина и перевернул МиГ мощным воздушным потоком.
Леонов также упомянул адресованное им письмо участников расследования, в котором летчиков просили не афишировать обстоятельства авиакатастрофы, чтобы не подвергать репрессиям пилота Су-15, подчиненного Андрея Туполева.
Согласно официальным выводам расследовавшей это происшествие комиссии, экипаж МиГа (Гагарин и летчик-инструктор Владимир Серегин) из-за изменившейся воздушной обстановки (подробности не уточнялись) совершил резкий маневр и в результате сорвался в «штопор». Несмотря на то, что летчики пытались вывести воздушную машину из крутого пике, самолет столкнулся с землей. Отсутствие внятной официальной версии и объективных доказательств стало причиной появленмя множества слухов и неофициальных версий гибели летчиков.