A un peu plus d’une minute après le décollage, les moteurs ont augmenté leur puissance pour produire la plus grande poussée possible (connue sous le nom de throttle up). Les contrôleurs de vol ont informé l’équipage de la navette que leur statut de vol était « go » au stade de la montée en puissance. Le commandant de vol Tyler Francis a dit « Roger, go à l’accélération. WOOOOHOOOO » Cependant, 72 secondes après le décollage, le booster droit s’est détaché de l’une des pièces de fixation du réservoir externe. À ce moment-là, le Challenger a soudainement quitté sa trajectoire prévue, ce qui a pu être ressenti par l’équipage. Une demi-seconde plus tard, Smith a prononcé les derniers mots captés par l’enregistreur conçu pour enregistrer toutes les interactions dans la zone de l’équipage de la navette pendant le vol : « Uh oh… ». Smith a peut-être répondu à l’ordinateur de la navette qui lui indiquait que les moteurs se déplaçaient rapidement pour compenser le booster maintenant détaché dans une tentative inutile de remettre la navette sur la trajectoire prévue.
On sait peu de choses sur ce qui s’est passé dans les minutes qui ont suivi la rupture. La cabine de l’équipage était encore intacte lorsqu’elle a commencé à tomber. Le rapport officiel sur la catastrophe indique que l’équipage a survécu à la première rupture et qu’au moins trois personnes étaient encore en vie. Ils ont pu actionner des interrupteurs qui nécessitaient un couvercle avant de pouvoir être déplacés, probablement lorsqu’ils ont essayé de reprendre le contrôle de l’appareil. La cabine de l’équipage n’avait pas de parachute et s’est écrasée dans l’océan après une chute de 2 minutes et 45 secondes à une vitesse d’environ 333 kilomètres par heure. Les membres de l’équipage qui auraient pu survivre à la première rupture sont morts instantanément, la force de gravité étant plus de 200 fois supérieure à la normale. C’est comme si l’on passait de 0 à plus de 7 100 kilomètres par heure (4 400 miles par heure), puis que l’on revenait à 0 en une seconde.