Приблизно о 1:23:50 26 квітня 1986 року на четвертому енергоблоці Чорнобильської АЕС сталися два теплових вибухи, які повністю зруйнували реактор. Будівля енергоблоку частково обвалилася, при цьому, як вважається, загинула 1 людина — Валерій Ходимчук. На даху почалася пожежа. Згодом залишки активної зони 4-го реактора розплавилися. Суміш з розплавленого металу, піску, бетону і частинок палива розтікалася під реакторними приміщеннями. В результаті аварії стався викид радіоактивних речовин, у тому числі ізотопів урану, плутонію, йоду-131 (період напіврозпаду 8 днів), цезію-134 (період напіврозпаду 2 роки), цезію-137 (період напіврозпаду 30 років), стронцію-90 (період напіврозпаду 29 років). Ситуація погіршувалася в зв'язку з тим, що в зруйнованому реакторі продовжувалися неконтрольовані ядерні і хімічні реакції з виділенням тепла (від горіння запасів графіту), з виверженням з розлому протягом багатьох днів продуктів горіння  радіоактивних елементів і зараження ними великих територій. Зупинити активне виверження радіоактивних речовин із зруйнованого реактора вдалося лише в кінці травня 1986 року мобілізацією ресурсів усього СРСР і ціною масового опромінення тисяч ліквідаторів.
На 25 квітня 1986 року була запланована зупинка 4-го енергоблока Чорнобильською АЕС для чергового обслуговування. Було вирішено використовувати цю можливість для проведення ряду випробувань. Мета одного з них полягала в перевірці проектного режиму, що передбачає використання інерції турбіни генератора  для живлення систем реактора в разі втрати зовнішнього електроживлення.

Випробування мали проводитися на потужності 700 МВт, але за наказом Анатолія Дятлова при зниженні потужності до 200 МВт, вона впала до 30 МВт. При швидкому зниженні потужності, і подальшій роботі на рівні 30 — 200 МВт почало посилюватися отруєння активної зони реактора ізотопом Ксенону-135. Для того, щоб підняти потужність, з активної зони витягали частину керуючих стержнів.

Після досягнення 200 МВт були включені два додаткові насоси, які мали служити навантаженням для генераторів під час експерименту. Величина потоку води через активну зону на деякий час перевищила допустиме значення. В цей час для підтримки потужності операторам довелося ще більше підняти стержні. При цьому, оперативний запас реактивності виявився нижчим за допустимий, але персонал реактора про це не знав.

О 1:23:04 почався експеримент. У цей момент жодних сигналів про несправності або про нестабільний стан реактора не було. Через зниження обертів насосів, підключених до «вибігаючого» генератора і позитивного парового коефіцієнта реактивності, почалася тенденція до збільшення потужності (вводилася позитивна реактивність), проте система управління успішно цьому протидіяла. О 1:23:40 оператор натиснув кнопку аварійного захисту. Точна причина цієї дії оператора невідома, існує думка, що це було зроблено у відповідь на швидке зростання потужності. Проте Анатолій Дятлов (заступник головного інженера станції з експлуатації, що знаходився у момент аварії в приміщенні пульта управління 4-им енергоблоком) стверджує в своїй книзі, що це було передбачено раніше на інструктажі і зроблено в штатному (а не аварійному) режимі для глушіння реактора разом з початком випробувань з «вибігу» турбіни, після того, як стержні автоматичного регулювальника потужності підійшли до низу активної зони. Системи контролю реактора також не зафіксували зростання потужності аж до включення аварійного захисту.

Керуючі і аварійні стержні почали рухатися вниз, занурюючись в активну зону реактора, але через декілька секунд теплова потужність реактора стрибком зросла до невідомо великої величини (потужність зашкалювала на всіх вимірювальних приладах). Сталися два вибухи з інтервалом в декілька секунд, в результаті яких реактор був зруйнований. Про точну послідовність процесів, які привели до вибухів, не існує точних даних. Загально визнано, що спочатку стався неконтрольований розгін реактора, в результаті якого було зруйновано декілька ТВЕЛів. Це викликало порушення герметичності технологічних каналів, в яких ці ТВЕЛи знаходилися. Пара з пошкоджених каналів потрапила в міжканальний реакторний простір. В результаті там різко зріс тиск, що викликало відрив і підйом верхньої плити реактора, крізь яку проходять всі технологічні канали. Це призвело до масового руйнування каналів, скипанню одночасно у всьому об'ємі активної зони і викиду пари назовні — це був перший вибух (паровий).

Щодо подальшого протікання аварійного процесу і природи другого вибуху, що повністю зруйнував реактор, немає об'єктивних зареєстрованих даних і можливі лише гіпотези. За однією з них, це вибух хімічної природи, тобто вибух водню, який утворився в реакторі при високій температурі в результаті пароцирконієвої реакції і ряду інших процесів. За іншою гіпотезою, це вибух ядерної природи, тобто тепловий вибух реактора в результаті його розгону на швидких нейтронах, викликаного повним зневодненням активної зони. Великий позитивний паровий коефіцієнт реактивності робить таку версію аварії цілком вірогідною. Нарешті, існує версія, що другий вибух — теж паровий, тобто продовження першого; за цією версією всі руйнування викликав потік пари, викинувши з шахти значну частину графіту  і палива. А піротехнічні ефекти у вигляді «феєрверку» вилітаючих, розпечених фрагментів, які спостерігали очевидці, це результат «виникнення пароцирконієвої та інших хімічних екзотермічних реакцій»
Катастрофа вважається найбільшою за всю історію ядерної енергетики, як за кількістю загиблих і потерпілих від її наслідків людей, так і за економічним збитком.

Радіоактивна хмара від аварії пройшла над європейською частиною СРСР, більшою частиною Європи, східною частиною США. Приблизно 60 % радіоактивних речовин осіло на території Білорусі. Близько 200 000 осіб були евакуйовані із зон забруднення.

Чорнобильська аварія стала подією великого суспільно-політичного значення для СРСР і світу. Це наклало деякий відбиток на хід розслідування її причин. Підхід до інтерпретації фактів і обставин аварії змінювався з часом і повністю єдиної думки не існує досі.

Спершу керівництво УРСР та СРСР  намагалося приховати масштаби трагедії, але після повідомлень з Швеції, де на АЕС Форсмарк були знайдені радіоактивні частинки, принесені з східної частини СРСР, та оцінки масштабів зараження, розпочалася евакуація близько 130 000 мешканців Київської області із забруднених районів. Радіоактивного ураження зазнали близько 600 000 осіб, насамперед ліквідатори катастрофи. Навколо ЧАЕС створена 30-кілометрова зона відчуження. А тeпeр над рeактором споруджeно саркофаг. Алe Чорнобиль знову оживає, тeпeр там живуть різноманітні тварини. У 2018 році за наказом прeзидeнта Украіни там відкрито заповідник.