В 150 километрах от Хабаровска по маршруту полета оказалась мощная кучевая облачность, а у экипажа не хватало высоты для ее обхода. Руководителем полетов (РП) в тот момент был Арженков, который разрешил рейсу 04 выполнить виражи для набора высоты. Тогда экипаж выполнил сперва правый, а затем левый виражи с набором высоты. В 22:00 в аэропорту произошла пересменка и Арженкова сменил Матюшанский. Доложив о наборе высоты 8600 метров, экипаж запросил увеличения высоты для обхода мощных кучевых облаков. Получив согласие от ВВС, Матюшанский разрешил занимать эшелон 11000 метров с выходом на Архару без захода в облачность, а после ее прохождения снижаться до 9000. Однако и на высоте 11 тысяч метров самолет все еще находился в облаках, поэтому с рейса 04 запросили у РП дальнейших указаний. Тот, после получения согласия от ВВС, дал рейсу 04 разрешение занимать эшелон 12000 метров. В 22:12 с самолета передали: "11600, в облаках, звезды просматриваются".
В 22:14 командир экипажа доложил занятие эшелона 12000 метров. Также экипаж сообщил, что впереди видит мощную кучевую облачность и попытается ее обойти, а если не выйдет, то вернется в Хабаровск. Когда в 22:18 диспетчер вызвал рейс 04, то возбужденным голосом ответили: "Минутку, минутку". В этот момент, наиболее вероятно, экипаж столкнулся с серьезными проблемами. На запрос диспетчера в 22:19 ответ был таким же, после чего связь прервалась. На повторные вызовы рейс 04 уже не отвечал. В 22:20-22:25 под углом 60° и с небольшим правым креном авиалайнер врезался в густой лес и взорвался, при этом полностью разрушившись. Катастрофа произошла в 215 километрах северо-западнее Хабаровского аэропорта, а общий разброс обломков составил 450 метров по направлению полета. Все 64 человека на борту погибли.

В 150-200 километрах севернее трассы проводились полеты бомбардировщиков Ту-16, экипажи которых рассказали, что на высотах 11-12 километрах в верхних слоях облачности наблюдались болтанка и мощные вертикальные воздушные потоки. Когда авиалайнер оказался выше практического потолка номинального режима для текущего полетного веса, то относительно небольшого вертикального воздушного потока было достаточно для вывода на критический угол атаки, приведшего к потере поступательной скорости, а затем сваливанию. По изучению обломков было определено, что в момент столкновения с землей шасси были выпущены, а двигатели не работали. Есть вероятность, что выпадение шасси произошло в момент подхвата самолета восходящим потоком, тем самым ускорив падение поступательной скорости, а затем в момент срыва остановились двигатели, что только затрудняло вывод машины в нормальный режим полета. Помимо этого, из-за крутого снижения могло зашкалить авиагоризонты, что в ночных условиях привело к потере экипажем ориентации в пространстве.

Причиной катастрофы следственная комиссия назвала потерю управляемостью самолетом из-за сильной болтанки при выходе на высоту 12 километров с полетным весом, превышающим практический потолок, в результате чего произошло падение скорости и срыв самолета.
Сопутствующими причинами по мнению комиссии послужили:
Диспетчеры Арженков, Матюшанский и командир экипажа Барабанов перед вылетом не провели тщательный анализ метеообстановки, а уже когда в самом начале пути еще в зоне АДС экипаж столкнулся со сложными метеоусловиями, то продолжил полет, чем нарушил РЛЭ (руководство по лётной эксплуатации) Ту-104 и инструкции по руководству движением самолетов;
Ссылаясь на якобы договоренность с диспетчером Матюшанским, согласно которой вылет должен был быть в 22:00, экипаж оттягивал время выезда из профилактория. Стоит отметить, что в профилактории в Иркутске у экипажа перед выполнением рейса в Хабаровск уже был нормальный отдых. С учетом продолжительности рабочего времени, экипаж вообще не должен был направляться в хабаровский профилакторий. Из-за такого затягивания времени, рейс 04 вылетел из Хабаровска не в 18:10, а в 21:45, то есть на 3 часа 35 минут позже, когда уже стемнело, а погодные условия значительно ухудшились;
Перед вылетом штурман провел подготовку лишь формально;
В прогнозе погоды не была указана высота верхней кромки облаков;
Отсутствовали четкие указания о предельной высоте для самолетов Ту-104, при этом не учитывался полетный вес;
Не было указаний по действиям летчиков в случае непроизвольного сваливания;
Виновниками катастрофы, по мнению комиссии, являлись:
диспетчеры Арженков и Матюшанский - не оценили серьезность создавшегося положения, вместо этого продолжая пассивно руководить полетом и не принимая мер по возврату самолета, несмотря на неправильные действия экипажа.
командир экипажа Барабанов - значительно затянул с временем вылета, не провел серьезного анализа ситуации с погодой, а когда после вылета столкнулся со сложными и опасными метеоусловиями, то принял решение пробиваться через эту зону.