По плану полета, аэропортом назначения был аэродром Смоленск-Северный в черте российского города Смоленска. Ко времени посадки рейса на аэродроме наблюдались сложные метеорологические условия: низкая облачность и туман. Авиадиспетчер предупредил экипаж Ту-154М о сложных метеорологических условиях и предложил посадить самолет на запасном аэродроме в Минске или в Витебске, однако в день катастрофы аэропорт в Витебске не работал. Также экипаж Ту-154М был проинформирован о том, что российский транспортный самолет Ил-76 не смог произвести посадку на аэродроме Смоленска и вернулся на аэродром вылета.
Радиообмен экипажа Ту-154М с группой руководства полетами аэродрома Смоленск-Северный выполнялся по большей части на русском языке и, отчасти, на ломаном английском. По мнению авиадиспетчера, экипаж испытывал трудности с числительными на русском языке.
В 10:23 руководитель полетов аэродрома Смоленск-Северный запросил у экипажа польского Ту-154М, сколько на самолете осталось топлива. Топлива оставалось 11 тонн. Руководитель полетов сообщил экипажу, что в районе аэродрома Смоленск-Северный видимость составляет 400 метров и что условий для приема нет.
Как потом выяснилось, во время полета в кабине экипажа рейса PLF101 находились двое посторонних лиц, не относящихся к членам экипажа: директор дипломатического протокола польского МИД Мариуш Казана и командующий ВВС Польши Анджей Бласик.
Со слов руководителя полетов Павла Плюснина, экипаж самолета должен был докладывать текущую высоту, но не делал этого. И вход в глиссаду был выполнен с запозданием, что привело к увеличению вертикальной скорости снижения. Авиадиспетчер потребовал немедленно прекратить снижение самолета, прервать посадку и уйти на второй круг. Но самолет задел деревья левой консолью крыла. Из-за этого произошел резкий крен самолета с переворотом влево (самолет перевернулся на 120°), а левое полукрыло получило повреждения. Лайнер опрокинулся почти днищем кверху и в таком положении рухнул на землю, полностью разрушившись. Основная масса фрагментов самолета упала на расстоянии 350–500 метров от торца взлетно-посадочной полосы.
Катастрофа произошла в 10:56, то есть самолет разбился при первом заходе на посадку. А представитель министерства транспорта и коммуникаций Белоруссии сообщил, что «никаких запросов от экипажа самолета по поводу посадки белорусской стороне не поступало». По его словам, в период транзитного прохождения самолета «никаких замечаний не было, борт шел на установленной высоте, по установленному маршруту».
Пожар, возникший на месте катастрофы, был ликвидирован за 20 минут. Всего к ликвидации последствий катастрофы были привлечены более 800 человек и 124 единицы техники, в том числе три самолета.
Тела погибших были доставлены в морг Центрального бюро судебной медицинской экспертизы Москвы для дальнейшего проведения экспертизы и опознания.
Брат погибшего президента Леха Качиньского Ярослав Качиньский в субботу вечером 10 апреля прилетел в Смоленск и опознал главу государства. 11 апреля тело Леха Качиньского (единственного из жертв катастрофы) было из Смоленска доставлено прямо в Варшаву. 12 апреля по обручальному кольцу было опознано тело Марии Качиньской, супруги президента Польши.
22 апреля 2010 года было официально заявлено, что тела всех погибших при крушении самолета в Смоленске опознаны, а 24 апреля останки всех жертв авиакатастрофы в Смоленске были доставлены в Варшаву.
Естественно, началось расследование, причем его проводили как российская сторона, так и польская. По факту гибели самолета в Смоленске прокуратурами России и Польши были возбуждены уголовные дела – российской прокуратурой по статье «Нарушение правил безопасности движения воздушного транспорта, повлекшее по неосторожности смерть двух и более лиц».
На месте гибели самолета работали 37 следователей из Следственного комитета при прокуратуре РФ и более 40 судебно-медицинских экспертов, также в следственных действиях участие принимали 11 следователей и прокуроров из Польши.
Предварительный анализ расшифровки бортовых самописцев показал, что взрыва и пожара на борту самолета не было. Двигатели работали вплоть до столкновения с землей, а экипаж своевременно получал данные о метеорологической обстановке и запасных аэродромах от диспетчерских пунктов Минска и аэродрома Смоленск-Северный. Плюс было точно установлено, что в кабине находились лица, не являющиеся членами экипажа. При этом на самописце был зафиксирован голос одного из пилотов, который говорил, что в таких погодных условиях самолет сесть не сможет, а главком ВВС Польши Анджей Бласик разговаривал с пилотами до момента удара самолета о дерево.
Обломки Ту-154М на месте катастрофы
26 мая руководитель госкомиссии Польши по расследованию авиационных происшествий Эдмунд Клих заявил, что причиной авиакатастрофы стали ошибочные действия экипажа разбившегося самолета Ту-154М.