ソユーズ１号は軌道に達してすぐに２枚の太陽電池パネルを展開するはずだったが、実際にはそのうちの１枚の展開に失敗した。
このため、宇宙船システム全体が電力不足に陥った。

また、宇宙船の姿勢検知装置にも異常が生じ、宇宙船の操縦が困難になった。

軌道周回１３周目には宇宙船の自動安定化システムが完全に機能を失い、手動システムも部分的にしか作動しない状態となった。

この時点で２機目のソユーズ２号のミッションは変更され、軌道上でソユーズ１号の太陽電池パネルを展開するための救難機としての打上げ準備が始められた。

しかし、バイコヌール宇宙基地の天候が大雨となったため、２機目の打上げは不可能になった。

実際には軌道上のソユーズ１号の問題が深刻だったため、晴天だったとしても打上げは行なわれなかっただろうと考えられている。

コマロフからの１３周目の報告を受けて、飛行管制責任者はミッションの中止と大気圏再突入の準備を開始した。

コマロフの妻で二人の子供の母でもあったヴァレンティナが管制室に招き入れられ、短い時間だけ個人用のコンソールにつかされた。

コマロフは宇宙船の激しい揺れに苦しんでいたが、冷静さを保ち妻に別れを告げた。

１８周目を過ぎ、ソ連上空を通過してすぐにソユーズ１号は逆推進ロケットを噴射して地球周回軌道を離脱したが、コマロフはほとんど宇宙船を制御することができなかった。

この時までに数多くの技術的問題が起きていたにもかかわらず、コマロフが無事に帰還できる望みはまだあった。

しかし、パラシュート格納容器の設計の甘さによりメインパラシュートが開かず、手動で展開した予備のパラシュートも減速用のパラシュートと絡まってしまい、開かなかった。

ソユーズはほとんど減速することなく秒速４０ｍ（時速１４５ｋｍ）で地上に激突した。

本来、逆推進ロケットを噴射して降下速度を更に落とすはずだったが、代わりに激突と共に爆発が生じ、カプセルは激しい炎に包まれた。

落下地点では農民達が駆けつけて消火に当たったが、コマロフは衝突によって既に死亡していた。

現在伝わっている話の中には、コマロフは地球に降下する間、技術者や飛行スタッフ達を罵っていたというものもある。

後にソユーズ２号として打ち上げられる予定だった２機目のソユーズ宇宙船を検査したところ、やはりパラシュートに同じ問題を抱えていたことが判明したため、仮にこの２機目の打上げが決行されていた場合にはコマロフと合わせて４名の飛行士が命を落とす結果になった可能性もある。

このソユーズ１号及び２号によって行なわれる予定だったミッションは後にソユーズ４号及び５号によって遂行された。

コマロフはソビエト連邦の国葬に付され、遺灰はモスクワの赤の広場にあるクレムリンの壁墓地（英語版）に納められた。

彼がこの待遇を得ることは、再突入に先立って管制官から本人に伝えられていたという説がある。

＞技術的問題を巡る伝説

当時の他の有人宇宙船と異なり、ソユーズ宇宙船（７Ｋ－ＯＫ）は無人での試験飛行に一度も成功しておらず、コマロフが搭乗する以前の全ての飛行において何らかの問題が起こっていた（コスモス１３３号、コスモス１４０号参照）。

ユーリイ・ガガーリンはソユーズ１号の予備乗員で、ソユーズには設計上の問題があること、にもかかわらず打上げを進めようとする政治局からの圧力があることに気づいていた。

ユーリイはソユーズ１号ミッションからコマロフを降ろそうと試みた。

彼はソ連の指導部が国家の英雄である自分をこのような危うい飛行に搭乗させようとはしないだろうと知っていたためである。

打上げの数週間前、コマロフは次のように述べたと言われている。

「もし自分がこの飛行に乗らなければ、彼らは代わりに予備乗員を乗せるだろう。そうなればユーリイが自分の代わりに死ぬことになる」

打上げ前にソユーズ１号の技術者達は党指導部に、ソユーズには２００箇所の設計上の欠陥があることを報告していたと言われているが、彼らの懸念は「宇宙開発における一連の快挙によってレーニンの誕生日を祝うという政治的圧力のために却下された」だ。

宇宙開発競争においてソ連がアメリカに勝ち続ける必要性や、ソ連が最初に月面に立つという動機が、ソユーズ１号の打上げを巡る圧力にどの程度影響していたのかは明確ではないが、ソユーズ１号の惨事によって、続くソユーズ２号及び３号の打上げは１９６８年１０月２５日まで遅れることとなった。

この１８ヶ月の空白期間と、１９６９年７月３日に起きた無人のＮ－１ロケットの爆発事故、そして同年７月２０日のアポロ１１号の月面着陸成功によって、ソ連の有人月旅行計画は断念された。