Корабль совершил успешную стыковку с орбитальной станцией «Салют-1» 7 июня 1971 года. Командир «Союза» Георгий Добровольский, бортинженеры Владислав Волков и Виктор Пацаев перебрались на станцию и оставались на ней двадцать три дня, проводя научные исследования.
29 июня «Союз-11» с космонавтами на борту отстыковался от «Салюта» и взял курс на Землю. В момент отделения спускаемого аппарата в 150 км от поверхности связь с экипажем внезапно прервалась. Тем не менее все шло плану — аппарат вошел в плотные слои атмосферы, без заминок сработала парашютная система.
Когда на следующий день поисковая группа прибыла к месту посадки все космонавты были мертвы. У них обнаружили кровоизлияние в мозг, разрыв барабанных перепонок и кровь в легких. Причиной трагедии стало раскрытие вентиляционного клапана в космическом пространстве. Оно привело к разгерметизации спускаемого аппарата, а поскольку все члены экипажа были без скафандров, они погибли.
Расследование установило, что космонавты пытались ликвидировать утечку воздуха. Действовать им приходилось в заполнившем кабину густом тумане, испытывая сильные боли по всему телу. Когда они обнаружили проблему, решить ее сил и времени уже не хватило.
Погибшим космонавтам посмертно присвоили звание Героя Советского Союза. Полеты «Союзов» приостановили на два года, чтобы доработать конструкцию кораблей, а экипажи с тех пор совершают взлет и посадку исключительно в скафандрах.