A poco más de un minuto del despegue, los motores aumentaron la potencia para producir el mayor empuje posible (conocido como throttling up). Los controladores de vuelo informaron a la tripulación del transbordador de que su estado de vuelo era «listo» en la fase de aceleración. El comandante de vuelo Tyler Francis dijo: «Entendido, vamos a acelerar. WOOOOHOOOO» Sin embargo, a los 72 segundos del despegue, el propulsor derecho se desprendió de una de las piezas de unión al tanque externo. Justo en ese momento, el Challenger se salió repentinamente de su trayectoria prevista, lo que pudo ser percibido por la tripulación. Medio segundo después, Smith dijo las últimas palabras recogidas por la grabadora diseñada para registrar todas las interacciones en la zona de la tripulación del transbordador durante el vuelo: «Uh oh…». Es posible que Smith estuviera respondiendo a que el ordenador del transbordador le dijera que los motores se movían rápidamente para compensar el propulsor ahora suelto en un intento inútil de que el transbordador volviera a la trayectoria prevista.
Poco se sabe de lo que ocurrió en los minutos posteriores a la ruptura. La cabina de la tripulación seguía intacta cuando empezó a caer. El informe oficial sobre la catástrofe dice que la tripulación sobrevivió a la primera ruptura y que al menos tres personas seguían vivas. Pudieron mover los interruptores, para lo que fue necesario retirar una cubierta antes de poder moverlos, probablemente cuando intentaron recuperar el control de la nave. La cabina de la tripulación no tenía ningún tipo de paracaídas y se estrelló en el océano después de caer durante 2 minutos y 45 segundos a unas 207 millas por hora (333 kilómetros por hora). Los tripulantes que pudieron sobrevivir a la primera ruptura murieron instantáneamente con más de 200 veces la fuerza de la gravedad normal. Esto es como pasar de 0 a más de 4.400 millas por hora (7.100 kilómetros por hora) y luego volver a bajar a 0 todo en un segundo.