Согласно плану полета, после вылета из Чикаго рейс 529 должен был следовать по воздушному коридору "8" до Акрона, далее по коридору "1512" до Креммлинга, после по коридору "1522" до Мормона, а от него уже по коридору "8-северный" на Лас-Вегас. Расчетная продолжительность полета составляла 6 часов 23 минуты при истинной путевой скорости 223 узла (419 км/ч). В небе над аэропортом в это время стояла переменная высокая облачность с нижней границей 10000 футов (3000 м), дымка, туман, видимость 3 мили (4.8 км), ветер южный 8 узлов (14.8 км/ч).
После посадки пассажиров борт N86511 отъехал от перрона, при этом агент авиакомпании TWA видел командира Сандерса, сидевшего в кабине в левом кресле. В процессе запуска двигателей экипаж получил от диспетчера следующее разрешение на полет: "Разрешается в аэропорт Лас-Вегас по "Виктор 6" до Нейпервилла, далее по "Виктор 8" по плану; высота 5000 футов (1500 м)". Экипаж подтвердил получение информации. В 02:00 с 73 пассажирами и 5 членами экипажа на борту рейс 529 взлетел с полосы "22 левая" аэропорта Мидуэй, после чего выполнил правый поворот на линию маршрута.
Через 1 минуту 34 секунды после взлета борта N86511 был установлен радиолокационный контакт и подтверждена отметка самолета на экране радиолокатора; при этом авиалайнер еще продолжал выполнять правый поворот. В 02:04 рейс 529 находился в пяти милях (8 км) к западу от аэропорта вылета, когда диспетчер дал разрешение на взлет с полосы "22 левая" рейсу 105 авиакомпании Northwest Airlines, что тот сразу подтвердил. Затем вдруг диспетчер увидел, как к западу от аэропорта в темноте появилась вспышка, а затем спросил пилота самолета Northwest Airlines, наблюдали ли он эту вспышку. С рейса 105 ответили, что тоже видели огненную вспышку и пролетят над этим местом. О вспышке доложил и экипаж прибывающего в Мидуэй грузового рейса 805 компании American Airlines. Вскоре с рейса 105 доложили, что в 9 милях (14.4 км) к западу от аэропорта Мидуэй наблюдают огонь на земле. Затем диспетчер заметил, что рейс 529 исчез с радиолокатора. Так было определено, что наблюдаемая вспышка была катастрофой борта N86511.
Несколько очевидцев наблюдали рейс 529 в паре миль от места происшествия, который выполнял нормальный взлет. Очевидец в миле от места происшествия наблюдал самолет, летящий на низкой высоте в северном направлении. Остальные свидетели путались относительно описания самолета в районе происшествия и нельзя точно утверждать, что они наблюдали именно борт N86511. Момента, когда лайнер врезался в землю никто не наблюдал. Согласно результатам изучения обломков, летящий с убранными шасси в северном направлении "Локхид" с небольшим левым креном врезался в открытое поле близ населенного пункта Хинсдейл (округ Ду-Пейдж), при этом образовав на земле пять углублений (от 4 двигателей и фюзеляжа), разрушился и сгорел. Все 78 человек на борту погибли.

В ходе работы комиссии, при изучении задней части фюзеляжа было обнаружено, что в повышающем параллелограммном механизме, соединяющем идущие из кабины тяги управления рулем высоты с распределительным клапаном системы руля высоты, пропал сталеникелевый болт AN-175-21 диаметром 5/16 дюйма. Были обследованы все обломки в районе падения и даже просеяна земля, но болт так и не был найден.
Согласно истории самолета, в январе 1958 года была замена руля высоты из-за плохой обшивки, при этом также были заменены и распределительные клапаны. В ходе последнего основного ремонта, проводившегося в ноябре 1960 года, система распределительных клапанов также была заменена, при этом требовалась разборка параллелограммного механизма с рассоединением нескольких болтов, включая и AN-175-21. В ходе периодической проверки от 7 августа 1961 года, то есть за 25 дней до происшествия, проводился визуальный осмотр параллелограммного механизма и замечаний по нему не было.
Дальнейший анализ обломков показал, что именно отсутствие болта AN-175-21 стало непосредственной причиной происшествия. Отделение болта, возможно, произошло уже в роковом полете из-за самоотвинчивания гайки, так как последняя не была закреплена надлежащим образом при выполнении основного ремонта в 1960 году. В результате экипаж потерял управление рулем высоты, который опустившись полностью вниз перевел самолет в крутое пикирование. Также из-за возникших перегрузок отделился и правый вертикальный стабилизатор.

Согласно заключению комиссии, причиной катастрофы стало выпадание болта AN-175-21, что привело к рассоединению тяги управления с параллелограммным механизмом распределительного клапана руля высоты, в результате чего авиалайнер вышел из-под контроля экипажа.