Ce jour-là, le Komsomolets navigue à 1250 pieds de profondeur près des côtes norvégiennes, à 180 km au sud-ouest de l'île de Medvezhy, pour une patrouille commencée il y a 39 jours.
Peu après 11h00 du matin, un incendie se déclare dans le compartiment 7, sans doute du à une petite quantité d'huile se déversant sur une surface brûlante, dans cet endroit où passent des flux d'air compressé connectés aux ballasts pour contrôler la profondeur. Le centre de commandement ordonne alors d'éteindre le feu par l'utilisation de fréon, un gaz inerte susceptible d'étouffer le feu, provoquant l'asphyxie du sous-marinier Bukhnikashvili se trouvant dans le compartiment. Mais le commandement ignore le flux d'air qui se déverse dans le compartiment, le transformant en véritable fourneau. Le feu se répand alors dans tout le bâtiment. Craignant une catastrophe nucléaire, les réacteurs sont stoppés. Le sous-marin se retrouve sans source d'énergie.
Le commandement ordonne alors la remontée du bâtiment, par la vidange des ballasts. Arrivé en surface, le commandant envoie un SOS crypté à l'armée soviétique. Pourtant, l'équipage est loin d'être tiré d'affaire. L'incendie, qui se propage par les câbles, dégage une chaleur intense, et l'anhydride carbonique, toxique, menace sa survie. Les hommes deviennent inconscients, le CO2 est détecté trop tard. A 11h41, le SOS est reçu et l'armée de l'air est en état d'alerte. L'hécatombe est déjà largement commencée, et les tentatives de ventilations, de remises en route du moteur diesel seront vaines.
À 12h19, le commandant Vanin abandonne le protocole de sécurité, et envoie un SOS non crypté en indiquant son nom, sa position et les circonstances de la catastrophe. L'Amiral Chernavin ordonne le secours immédiat du sous-marin, incluant l'aide possible et souhaitée de la flotte norvégienne. Mais celle-ci ne fut pas alertée. Les secours sont totalement désorganisés, et trop tardifs.
À 14h40, le bâtiment est repéré par les secours aériens. L'eau est très froide, la visibilité n'est pas très bonne, et la majorité de l'équipage est sortie, repoussé par la fumée. Seul le commandement et quelques techniciens sont encore à bord pour tenter de sauver le bâtiment. Les secours sont prévus pour 18h00. Malgré des conditions météo défavorables, un protocole de sécurité défectueux, des tentatives de sauvetage du sous-marin durent pendant 4 heures. Mais à 16 heures 42, l'ordre d'abandonner le navire est prononcé.
Les hommes prennent alors place dans les canots de sauvetage, et un radeau de sauvetage est lancé par un avion. Le Komsomolets commence à sombrer vers 17h00. 6 hommes sont alors à l'intérieur, dont le commandant. 5 hommes réussissent à s'échapper du sous-marin par une capsule de secours, mais un seul réussit à rejoindre la surface. Les radeaux de sauvetage, pas assez nombreux, laissent une cinquantaine d'hommes à la mer. Le bateau de sauvetage arrive peu avant 18h00, laissant derrière lui 38 noyés, et 4 disparus.