Тем временем срабатывание стоп-крана блокировало тормоза в заторможенном состоянии, а для снятия блокировки необходимо повернуть специальную небольшую рукоять, которая находится на торце вагона (в данном случае на втором вагоне со стороны переднего тамбура). В попытке дотянуться до рукояти, машинист опирается на ручку концевого крана на тормозной магистрали и, сам того не замечая, поворачивает его. После машинист возвращается в кабину и обнаруживает, что тормоза на семи вагонах из восьми по-прежнему заблокированы. Машинист решает, что причиной этого является воздушная пробка, на самом же деле он перекрыл тормозную магистраль между первым вагоном и остальным составом (фактически отключив тормоза всех вагонов, кроме головного, от управления), а система безопасности принудительно заблокировала тормоза на отключенных вагонах. Не зная об этом, машинист с помощью кондуктора Жана Бове вручную стравливает воздух из тормозных цилиндров на каждом вагоне, после чего возвращается в кабину, и поезд в 19:02 отправляется от станции. К тому времени опоздание от расписания уже составляло 26 минут, поэтому в спешке машинист лишь вскользь обращает внимание на манометры и решает, что все в порядке, не заметив некорректное показание манометра тормозной магистрали.
Ввиду большого отставания от графика, поездной диспетчер дает команду Солену проехать оставшуюся промежуточную платформу (Мезон-Альфор) без остановки, то есть ехать сразу до конечной остановки - Лионского вокзала.
Около 19:06 машинист задействовал тормоза для снижения скорости, так как на подъезде к вокзалу ограничение составляло 60 км/ч. Тут он осознает, что на следующем со скоростью 96 км/ч поезде почти не работают тормоза (тормозил лишь головной вагон), при этом до вокзала остается всего два с лишним километра. Тогда он дает поручение кондуктору найти и включить ручной тормоз, который расположен в одном из вагонов. Стоит отметить, что электропоезд Z5300 оснащен реостатным тормозом, который мог бы дать дополнительный тормозной эффект, особенно на высоких скоростях. Однако если одновременно использовать и пневматические тормоза и электрические, то это может привести к заклиниванию колес, поэтому машинисты ими пользовались крайне редко. Наиболее вероятно, что и в данном случае Даниэль Солен решил не рисковать, хотя и не исключено, что попросту забыл о них. Между 19:07 и 19:08 машинист докладывает диспетчеру о том, что в его электропоезде неисправны тормоза, но при этом забывает назвать самого себя, а также номер поезда.
Несмотря на малый тормозной эффект, скорость поезда снижается с 96 до 45 км/ч, когда 300-тонный электропоезд достигает крутого спуска, ведущего на подземные пригородные платформы, и начинает вновь разгоняться. Паникуя, машинист сообщает диспетчеру об отказе тормозов, но забывает назвать себя, тем самым лишая работников вокзала возможности узнать, в каком именно составе отказали тормоза. Затем он дает команду пассажирам перебраться в хвост поезда и сам покидает кабину. Однако перед этим он сгоряча нажимает кнопку тревоги на пульте, чем значительно усугубляет ситуацию: по поездным рациям начинает поступать в виде писка "сигнал тревоги", который обязует всех машинистов, услышавших его, остановить их поезда. На диспетчера обрушивается шквал вызовов от машинистов различных поездов, желающих выяснить причину сигнала, из-за чего диспетчер не может связаться с машинистами четырех прибывающих на вокзал поездов, чтобы выяснить, в каком из них произошла неисправность. Помимо этого, получив сигнал тревоги, работники вокзала согласно инструкции отключают системы приготовления рельсовых маршрутов, и, таким образом, маршрут для неуправляемого поезда на пустой путь так и не был подготовлен, и поезд ехал на 2-й подземный путь вокзала.
В это время на 2-м подземном пути стоял переполненный по причине часа пик электропоезд Z5300 (поезд №15339), который должен был отправиться уже несколько минут тому назад. Его машинист Андрэ Танги пытается связаться с диспетчером, но из-за шквала вызовов от других машинистов ему это так и не удается. В свою очередь, диспетчер не может предупредить Танги об опасности. В 19:10 кондуктор неуправляемого поезда наконец находит ручной тормоз, но время уже упущено. Примерно тогда же машинист стоящего у платформы поезда видит появившийся из темноты тоннеля электропоезд, который несется прямо на него. Танги хватает микрофон и по внутренней связи приказывает пассажирам немедленно покинуть вагоны. 15 секунд спустя головной вагон неуправляемого Z5300 на скорости 70 км/ч врезается в головной вагон стоящего и вспарывает его и второй вагон. Ударная волна распространяется эхом по всему вокзалу.

Всего погибло 56 человек и 57 были ранены. Все они находились в стоящем поезде, либо совсем рядом. Находящиеся же в мчащемся неуправляемом поезде отделались лишь небольшими царапинами, так как находились в последних вагонах. Среди погибших был и машинист Андрэ Танги, который, несмотря на опасность, не покинул кабину и до последнего говорил пассажирам, чтоб они покинули вагоны. Позже следователи признали, что Андрэ ценой своей жизни спас жизни нескольких десятков пассажиров.

На участке Батайск - Лихая поезд вел электровоз 2ВЛ60к, далее на станции проводилась смена локомотивов и локомотивных бригад. Помощнику машиниста сдающей бригады не удалось закрыть концевой кран тормозной системы со стороны первого вагона, кран пропускал воздух, и давление не позволяло разъединить рукава тормозной системы; поэтому помощник машиниста перекрыл кран между 6-м и 7-м вагонами, но не сообщил об этом принимающей бригаде. Примерно в полночь электровоз 2ВЛ60к был отцеплен от состава, а вместо него прицепили трехсекционный ВЛ80с−887/842 (двухсекционный электровоз с дополнительной секцией). После прицепки электровоза локомотивная бригада провела опробование тормозов. В ту ночь на Лихой скопилось много поездов, из-за чего опробование тормозов проводилось в спешке. После затормаживания состава один из осмотрщиков, в соответствии с должностной инструкцией, прошел вдоль состава, убедившись, что на всех вагонах тормозные колодки притянуты к колесам, о чем и доложил по рации напарнику, затем направился к соседнему поезду. Другой же осмотрщик, убедившись по первому вагону, что тормоза работают штатно, выдал машинисту справку об опробовании тормозов формы ВУ-45.
В 00:45 со станции Лихая в сторону станции Каменская (расстояние между ними составляет 24 км) отправился пассажирский поезд №347 сообщением Краснодар - Москва, а за ним в 00:55 - поезд №335 (Ростов-на-Дону - Москва). Эти два поезда были пущены следом за грузовым №2081, а следом за пассажирскими было решено пустить №2035. В 01:02 грузовой поезд отправился со станции в северном направлении. На ведущем его электровозе ВЛ80с−887/842 управление велось из третьей - дополнительной секции. С места поезд двинулся с трудом, с некоторой заторможенностью движения. Однако машинист впервые водил поезда столь большой массы, и поэтому предположил, что для тяжеловесных поездов столь тяжелое трогание с места - вполне нормальное явление.
Вскоре после отправления со станции Лихая машинист поезда №2035 Батушкин в пути следования провел опробование тормозов, в ходе которого машинист подает в тормозные цилиндры воздух под определенным давлением, после чего оценивает тормозной путь, который прошел поезд при падении скорости на 10 км/ч. Как и ожидал машинист, поезд сбросил скорость, что свидетельствовало о работе тормозов. Однако при этом локомотивная бригада не придала значения тому, что тормозной путь составил не 300 метров, как положено по нормативам, а около 700. В результате поезд продолжал разгоняться, пока через 8 километров не начался затяжной спуск, ведущий в долину реки Северский Донец к центральной части города Каменск-Шахтинский.
В начале спуска машинист при скорости 65 км/ч применил первую ступень служебного торможения. Однако скорость поезда не падала, а наоборот стала расти. Тогда машинист применил следующую ступень торможения (повысил давление в тормозных цилиндрах), но и это не помогло. Скорость грузового поезда продолжала расти даже после применения экстренного торможения. Машинист попытался дважды применить реостатное торможение (в режиме реостатного торможения тяговые электродвигатели, как правило, отключаются от контактной сети, а их обмотки возбуждения реверсируются и подключаются к независимому источнику) и даже контрток, но безуспешно. До станции Каменская оставалось десять километров, когда локомотивная бригада доложила поездному диспетчеру (ДНЦ) Литвиненко и дежурной по станции (ДСП) Каменская Скурединой о том, что у них тяжелый грузовой поезд с неисправными тормозами, идущий на большой скорости в сторону станции. В это время на самой станции Каменская все пути были заняты различными составами, в том числе, с опасными грузами. На 5-м пути станции находился пассажирский поезд №347, а входного светофора ожидал №335. Поезд №335 состоял из 15 вагонов, ведомых электровозом ЧС4Т−489, которым управляла локомотивная бригада из депо Лихая. Пассажирские поезда при этом отставали от расписания. Это было связано с тем, что следовавший перед ними грузовой поезд №2081 опоздал на 5 минут, так как управлявший им машинист, из-за неправильного управления тормозами, завысил время хода. Тем временем диспетчер принимает решение пропустить поезд № 335 без остановки, но связаться с локомотивной бригадой данного поезда ни ему, ни ДСП Каменская не удалось. Виновен в этом оказался помощник машиниста поезда № 2035 Штыхно, который после доклада о координатах поезда продолжил держать в руках тангенту микрофона, в результате чего эфир радиовещания был заглушен шумами их радиостанции. Из-за этого локомотивные бригады впереди идущих поездов не знали об опасности, поэтому пассажирский поезд №335 под разрешающее показание входного светофора (два желтых) прибывает на станцию Каменская на 5-й путь и в 01:28 останавливается у платформы. Начинается посадка пассажиров. Перевести стрелочные переводы так, чтобы неуправляемый поезд попал на другой путь, было невозможно, так как все остальные пути были заняты грузовыми составами, а блокировка не позволяет настроить маршрут следования на уже занятый путь.
Когда неуправляемый грузовой поезд подъезжал к станции, машинист приказал помощнику уйти из кабины. Перед тем как уйти, помощник машиниста отпускает микрофон, благодаря чему ДСП наконец связывается с машинистом поезда №335 и, кратко объяснив критичность ситуации, приказывает тому под желтый сигнал светофора Н5 (выходной с 5-го пути) отправляться со станции. Однако проводники вагонов были не в курсе происходящего, поэтому когда простояв всего минуту у платформы пассажирский поезд начал отправляться, в вагоне №10 проводник Туркин сорвал стоп-кран. Это было сделано согласно должностной инструкции, с целью остановить неожиданно поехавший поезд и произвести должным образом посадку пассажиров. Помощник машиниста пассажирского электровоза Пантелейчук побежал к данному вагону, чтобы объяснить ситуацию, но времени уже не было. В 01:31 на станцию Каменская на скорости около 140 км/ч въехал грузовой поезд №2035. Поезд проследовал до стрелочного перевода № 17, где при следовании на ответвление произошел разрыв автосцепки между первым и вторым вагонами, после чего второй вагон сошел с рельсов, а налетевшие на него остальные вагоны образовали завал. Однако электровоз, с одним вагоном - зерновозом общей массой 288 т остался на рельсах и проследовал на 5-й путь, где проехал 464 метра и на скорости свыше 100 км/ч столкнулся с хвостом пассажирского поезда, разрушая вагоны со спящими людьми.

Погибло 106 человек (104 пассажира и 2 проводника). Из пассажиров последних 2 вагонов выжили 9 человек - некоторые стояли рядом на платформе, остальных выбросило из вагонов при ударе. Ранеными оказались 114 человек, в том числе члены локомотивной бригады поезда №2035, так как помощник машиниста в момент крушения находился в машинном отделении, а машиниста при ударе выбросило из кабины через лобовое стекло, и он упал на ветки стоящих рядом деревьев.

Ночью в Каменск-Шахтинском был сформирован штаб по ликвидации последствий крушения. В результате крушения у пассажирского поезда третий с хвоста вагон (№13) оказался серьезно поврежден, а два последних (14-й и 15-й) были практически полностью разрушены, и на них сверху лежал разбитый электровоз. У нечетной горловины станции находился завал высотой около 15 метров из разрушенных грузовых вагонов, груз был почти полностью рассыпан. Инерция состава при крушении была такова, что вагоны еще и зарылись в землю - некоторые почти на 10 метров. На станцию были направлены восстановительные поезда, бульдозеры, тракторы и краны. Для ликвидации последствий крушения на место происшествия были также направлены военнослужащие, рабочие с близлежащих предприятий и студенческие отряды. Отдельной проблемой стало рассыпавшееся зерно, которое подчас приходилось собирать не только бульдозерами, но и вручную. Ночью включались прожекторы, что позволяло проводить работы круглосуточно.
В результате трагедии были разрушены до степени исключения из инвентаря 2 секции электровоза, 54 грузовых и 3 пассажирских вагона, повреждено 300 метров пути, 2 стрелочных перевода, 8 опор контактной сети и 1000 метров контактных проводов, потеряно 330 тонн зерна.
Материальные потери составили около 1.500.000 советских рублей. Из-за завала грузовыми вагонами движение поездов по I пути было прервано на 1 ч 30 мин, а по II пути - на 82 ч 58 мин.

Расследованием причин катастрофы занималась правительственная комиссия во главе с заместителем председателя Совмина СССР Г.Г.Ведерниковым. Она же отвечала за оказание помощи пострадавшим. Электровозы ВЛ80с−842 и ВЛ80с−887 на момент катастрофы были относительно новыми. Проверка также подтвердила, что их оборудование перед самим крушением работало вполне исправно. Тогда комиссия стала исследовать вагоны данного поезда, при этом наибольшее ее внимание привлек последний вагон состава, который остался стоять на рельсах возле завала из остальных вагонов и оказался единственным уцелевшим из них. При переговорах по рации локомотивная бригада поезда №2035 докладывала, что у поезда отказали тормоза, однако, последний вагон был обнаружен утром в заторможенном состоянии (и это спустя несколько часов после катастрофы!). Также признаки длительного торможения наблюдались на многих вагонах грузового поезда. Но в то же время, тормозные колодки локомотива оказались практически полностью сточены, такая же картина наблюдалась и на нескольких первых вагонах. При дальнейшем осмотре было выявлено, что между 6-м и 7-м вагонами был перекрыт концевой кран тормозной магистрали, то есть 49 вагонов из 55 оказались отключены в заторможенном состоянии. Так как состав продолжал стоять в таком состоянии на протяжении около получаса (столько времени прошло от момента опробования тормозов до отправления поезда со станции), то на отключенных вагонах, из-за утечек воздуха из тормозной системы, давление тормозных колодок на колеса постепенно ослабло. В ходе проведенного позже следственного эксперимента это предположение подтвердилось: трехсекционный ВЛ80с мощностью 9780 кВт сумел взять с места частично заторможенный состав из 55 грузовых вагонов.

Обвиняемыми рассматривались ДНЦ и ДСП станции Каменская, которые не подготовили для неуправляемого поезда безопасный маршрут, осмотрщики вагонов, которые проверяли работу тормозов поезда №2035 с грубыми нарушениями, локомотивная бригада данного поезда, которая не проконтролировала работу осмотрщиков вагонов, а также локомотивная бригада поезда №335, не убравшая своевременно пассажирский поезд, и проводник вагона №10. Однако уже в ходе расследования ДСП и ДНЦ были оправданы, так как их действиям помешала защитная блокировка стрелок, оправдали также локомотивную бригаду поезда №335 и проводника, так как они не знали об опасности. Помимо этого, из гуманных побуждений, было решено не судить и локомотивную бригаду поезда №2035: помощник машиниста был серьезно покалечен, а машинист и вовсе стал инвалидом. В результате на скамью подсудимых попали осмотрщики вагонов Трусов А. и Пузанов Н. 17 ноября 1988 года ТАСС передал сообщение, согласно которому данные работники были осуждены на 12 лет.