В 11:31 рейс 007 получил разрешение занимать исполнительный старт, а в 11:32 - разрешение на взлет. Экипаж увеличил режим двигателей, а через 6 секунд, когда они вышли на полный режим, отпустил тормоза, после чего авиалайнер начал разгон с ускорением около 1.8 м/с. Поначалу разгон проходил без отклонений со скоростью, которая была определена как 147 узлов (272 км/ч) и была достигнута примерно через 1500 метров, а на 48-й секунде достигнута скорость, равная 158 узлам (293 км/ч), после чего пилоты начали подъем переднего шасси. Но передняя стойка поднялась лишь незначительно, поэтому было принято решение прервать взлет, после чего штурвал был отклонен "от себя" и передняя стойка шасси вновь коснулась бетона, пробыв в воздухе около 4-6 секунд. От начала разгона самолет пробежал 2609 метров, а его скорость достигла максимального значения - 179 узлов (331,5 км/ч), когда в 680 метрах от конца ВПП пилоты задействовали реверс и аварийное торможение, хотя и не применили интерцепторы. В результате авиалайнер начал замедляться с ускорением около 2 м/с.
Первые 150 метров торможение происходило в нормальном режиме, но затем интенсивность торможения увеличили, что привело к блокировке колес и их юзу по бетонной полосе. Резина кордовой оболочки задымилась, а спустя 250 метров с начала торможения лопнули шины на правой стойке. Стальные диски колес заскользили по полосе, а авиалайнер начало разворачивать вправо, при этом оба правых двигателя (№ 3 и 4) коснулись поверхности полосы и начали оставлять белые следы сдираемой краски. Пилоты смогли выпрямить самолет по оси с помощью руля направления, но затем на скорости около 160 узлов (296 км/ч) Боинг выехал с ВПП. Через 110 метров левые стойки шасси отломились и оба левых двигателя врезались в землю. Левая плоскость крыла начала разрушаться, а вытекшее топливо воспламенилось, вызвав пожар. Далее Боинг пробил забор, оставив в нем двигатель № 2, а через 20 метров и в 300 метрах от полосы пересек окружную автодорогу, при этом разрушилась передняя стойка шасси. Заскользив под углом 40° "на брюхе" по крутому берегу Сены, самолет врезался в огни приближения и начал разрушаться. Затем он врезался в дом и гараж, при этом разрушилась кабина пилотов (тела обоих пилотов нашли в обломках гаража), после отделилась хвостовая часть, а основной планер пронесся еще 100 метров, после чего остановился в 550 метрах от ВПП 08. 62800 килограмм топлива воспламенились, вызвав пожар площадью около 2400 квадратных метра, который почти полностью уничтожил самолет.

Уже в 11:34 к самолету прибыла первая пожарная машина, которая единственная смогла преодолеть препятствия от аэропорта к месту катастрофы. К 11:38 прибыли и остальные 6 пожарных машин аэропорта, а в 11:40 - три машины скорой помощи, два автокрана и два грузовика с накрытыми тентами кузовами. В 11:45 спасательные службы нашли в относительно уцелевшей хвостовой части трех тяжелораненых стюардесс. Весь остальной самолет был полностью уничтожен. Позже одна из спасенных стюардесс скончалась в больнице от полученных травм. Всего же в катастрофе погибли 130 человек.

Среди причин катастрофы рассматривались такие версии, как отказ приборов, двигателей, систем управления, рулей, автоматики, а также ошибочные действия экипажа, потеря электропитания и даже саботаж. После рассмотрения вариантов, было установлено, что к катастрофе привели такие факторы, как неверный расчет скорости отрыва передней стойки от поверхности полосы и скорости отрыва самого самолета от полосы, которые оказались завышены, что требовало увеличения усилий, прикладываемых к штурвалу, а также отказ электрической системы управления электроприводом стабилизатора. Сочетание этих двух факторов привело к тому, что командир не приложил к штурвалу достаточных усилий, чтобы суметь превзойти сопротивление, созданное воздействующими на стабилизатор аэродинамическими силами. Когда же экипаж принял решение о прекращении взлета, имеющегося запаса длины полосы не хватало для безопасной остановки.
Проведенные испытания показали, что если бы пилоты приняли решение продолжать взлет, то КВС мог бы суметь приложить достаточно усилий для эффективного управления рулями высоты. По мнению же представителей Air France, командир экипажа в возникшей ситуации не имел всех необходимых элементов, для принятия решения, на которое оставалось несколько секунд. По вопросу, смог бы командир после принятия решения о прекращении взлета исправить возникшую ситуацию или нет, члены комиссии не смогли договориться.

На его борту находились 8 членов экипажа и 76 пассажиров: 62 взрослых и 14 детей. В 16:32 рейс 902 вошел в зону Красноярского диспетчерского центра. В это время в Красноярском крае наблюдалась хорошая погода без опасных метеоусловий, стояла густая облачность 7-9 баллов с верхней границей 9-9.5 километра, которая постепенно опускалась до 6 километров. В 16:50 экипаж доложил, что они находятся в 50 километрах от Красноярска. Согласно показаниям на экране обзорного радиолокатора, местоположение самолета было определено верно. Однако после этого на запросы диспетчера рейс 902 уже не отвечал. Затем в 16:53 в Красноярский диспетчерский центр отчаянным и взволнованным голосом было сообщено: "Красноярск, сорок два… триста семьдесят, следите за мной, смотрите за мной…." При этом на заднем фоне был слышен грохот и странный шум. После этого сообщение прервалось. Как впоследствии было установлено по голосу, это говорил второй пилот Рахимов.
Спустя примерно минуту с момента доклада экипажа о своем удалении, самолет на эшелоне 9 километров вошел в снижение, близкое к экстренному, при этом вращаясь вокруг продольной оси. Затем либо на высоте 7 километров он перешел в сваливание, либо продолжал выполнять разворот со снижением и прогрессирующим креном, а на высоте 4 километра уже перешел в сваливание. Также начиная с высоты 7 километров снижение происходило в облаках, из которых авиалайнер вышел на высоте 800 метров в 3 километрах от места падения. Сама траектория снижения была относительно пологой со средним углом наклона около 15°-20°. Зацепив верхушки деревьев и начав о них разрушаться, Ту-104 в перевернутом положении и под углом 40° с небольшой поступательной скоростью и левым креном врезался в землю у опушки в покрытой лесом ложбине, после чего взорвался, образовав на месте падения воронку. Катастрофа произошла в 16:53 МСК восточнее села Вознесенка Березовского района и в 28 километрах восточнее Красноярского аэропорта, разброс обломков составил порядка 200 метров (по другим данным, радиус зоны разброса обломков составлял 500 метров). Общее время от начала развития ситуации и до столкновения с землей составило около двух с половиной минут. Все 84 человека на борту погибли.

При исследовании тел погибших пассажиров было установлено, что они получили прижизненные ожоги и травмы от огня и летевших со стороны распространения огня предметов. Наиболее сильные повреждения и ожоги у всех исследованных наблюдались с левой стороны и были получены в положении сидя.
Сразу после авиакатастрофы место происшествия было оцеплено солдатами. Площадь оцепления оказалась весьма значительной. К расследованию авиакатастрофы приступила правительственная комиссия. Самолет упал в покрытую лесом ложбину. По сбитым верхушкам сосен комиссия установила, что падал он не вертикально, а по пологой траектории. Задев деревья, фюзеляж лайнера переломился. Этими обстоятельствами и объяснялась большая площадь обломков. В процессе изучения обломков комиссией генерал-майор Зеленский (заместитель начальника конструкторского бюро им.Туполева) обнаружил фрагмент обгоревшей обшивки фюзеляжа с левого борта. Изначально эта часть конструкции находилась в районе 20-го шпангоута у иллюминаторов первого салона. В куске металла зияло отверстие диаметром 20 сантиметров. Причем обгоревшей была не внешняя сторона обшивки, а внутренняя. При этом изнутри фрагмент был механически поврежден. Некий предмет пробил обшивку лайнера и взорвался внутри.
Первоначально комиссия по расследованию катастрофы пришла к выводу, что ее причиной явилось сваливание в кучевой облачности в процессе экстренного снижения или при выводе из него и потеря пространственной ориентировки в сложной обстановке, что при низкой облачности не дало возможности вывести самолет. Причиной экстренного снижения был предположительно назван пожар или какое-либо другое происшествие в пассажирской кабине. Однако позднее стало известно, что одна из частей ПВО, дислоцировавшаяся в районе Маганска, проводила учебные пуски зенитных ракет. Было сообщено, что одна из ракет, потеряв в условиях прохождения через грозовой фронт свою цель, перенацелилась на гражданский самолет и поразила его в левый борт.

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.