Авиалайнер проходил высоту 4500 метров, когда спустя 1 минуту 37 секунд с момента последней связи с диспетчером командир экипажа вновь вызвал ГДРП и дважды доложил: "Бросило!". Далее последовали еще тревожные сообщения: "Трясет!" и "Бросило сильно на крыло!". Эти передачи с рейса 03 длились 36 секунд, после чего засветка лайнера исчезла с экрана радиолокатора. Согласно показаниям экипажа Ан-10, борт 11195, летевшего позади с интервалом в 4 минуты, они увидели сквозь облака сильное красное зарево, которое постепенно погасло. В 04:42 Ту-104 под углом около 50-60 градусов, углом тангажа 10-20 градусов и небольшим левым креном врезался в болото в Нанайском районе и в 15 километрах юго-западнее поселка Курун (95.5 километра северо-восточнее аэропорта вылета). От удара авиалайнер полностью разрушился, а на его месте образовалась воронка, которую заполнило водой. Общий разброс обломков составил 200×70×80 метров. Все 86 человек на борту погибли.

По результатам расследования следственная комиссия не смогла установить причины катастрофы.
Техническая комиссия после проведения испытаний пришла к заключению, что причиной катастрофы послужило непреднамеренное включение автопилота АП-5-2, что при существующих регулировках рулевых машинок в условиях рейсового полета и при запаздывании вмешательства экипажа может привести к созданию аварийной ситуации, особенно ночью и в сложных метеоусловиях. Аварийную ситуацию могло создать и непреднамеренное включение электроуправления триммером руля высоты, а также триммера элеронов, хотя последнее менее опасно, нежели включение триммера руля высоты. Что до непреднамеренного увода руля направления, то это аварийную ситуацию не создаст, хотя и значительно усложнит пилотирование самолета. Если руль высоты после включения автопилота АП-5-2 отклонится, а балансировка самолета будет выполняться триммером, то при последующем отключении автопилота во время полета может возникнуть аварийная ситуация.
Стоит отметить, что гражданская комиссия не допускалась к материалам, попадающих под определение "Военная тайна". В связи с этим встречаются версии, что самолет мог быть сбит ракетой класса "поверхность-воздух", запущенной с военного полигона Литовко.