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.