Было бы удивительно, если Мёльдерс, находясь на фронте, не воспользовался бы этим, чтобы снова подняться в воздух. Несмотря на запрет, он использовал любой повод, чтобы сесть в кабину «Мессершмитта», чем доставлял огромное беспокойство своему штабу.
Утром 8 ноября Мёльдерс в паре с обер-фельдфебелем Гербертом Кайзером из III./JG77 вылетел в район Севастополя. Над линией фронта они обнаружили летевшую без прикрытия «шестерку» Ил-2, собиравшуюся штурмовать немецкие позиции в долине реки Бельбек, приблизительно в 20 км северо-восточнее Севастополя. Сбив с ходу один штурмовик, Мёльдерс предоставил возможность атаковать врага ведомому, и за десять минут Кайзер отправил на землю еще два Ил-2. 13 ноября в паре с унтер-офицером Гюнтером Белингом из III./JG77 Мёльдерс совершил боевой вылет уже над Керченским полуостровом. Всего в ходе своих «нелегальных» вылетов он одержал по крайней мере три победы, но, естественно, официально их не заявлял, чтобы не вызвать недовольства руководства.
17 ноября покончил жизнь самоубийством генерал-оберст Эрнст Удет. Гитлер распорядился, чтобы на его похоронах присутствовали все высшие офицеры Люфтваффе. Мёльдерса срочно вызвали в Берлин, но плохая погода помешала ему немедленно вылететь. Наконец 21 ноября Мёльдерс вместе со своим адъютантом майором Венцелем все-таки вылетел с аэродрома Чаплинка на борту бомбардировщика Не-111Н-6 W.Nr.4513 «1G+TH» из KG27. Самолет пилотировал один из опытнейших пилотов эскадры обер-лейтенант Колбе, который, так же как и Мёльдерс, участвовал в войне Испании в составе «Легиона „Кондор“. До наступления темноты „Хейнкель“ успел долететь до аэродрома во Львове и приземлился там на ночевку.
Утром 22 ноября, несмотря на плохую погоду, самолет поднялся в воздух. Вскоре после взлета пришло сообщение о дальнейшем ухудшении погоды по маршруту полета, и Колбе предложил вернуться обратно, но Мёльдерс приказал лететь дальше. Между тем погода все ухудшалась, усиливался встречный ветер, видимость была минимальной. Между Литцманнштадтом и Бреслау (ныне соответственно Лодзь и Вроцлав, Польша) у «Хейнкеля» заглох левый двигатель, и запустить его снова не удалось.Вместо того чтобы приземлиться на ближайшем полевом аэродроме, Колбе решил дотянуть до имевших бетонные взлетно-посадочные полосы аэродромов Шёнгартен (ныне Страховице) и Гандау (ныне Гадов), располагавшихся соответственно около западной и северо-западной окраины Бреслау. Можно только гадать, повлиял ли Мёльдерс на решение пилота или нет. В непосредственной близости от аэродрома Гандау бортрадист «Хейнкеля» обер-фельдфебель Тенц передал по радио: «Идем на одном двигателе. На борту оберст Мёльдерс».
Тем временем самолет быстро терял высоту. Прыгать с парашютами было поздно, так как высота была уже слишком мала. На земле слышали, как «Хейнкель» дважды облетел аэродром Шёнгартен, но из-за густого тумана так и не смогли его увидеть. Когда он стал заходить на посадку в третий раз на обоих аэродромах, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, включили все наземное освещение. Одновременно пуская зеленые сигнальные ракеты, с земли пытались хоть как-то показать экипажу направление взлетно-посадочной полосы.
В это время «Хейнкель» на очень малой высоте летел прямо в направлении расположенной поблизости от аэродрома подвесной канатной дороги. Увидев прямо по курсу возникшую из тумана одну из кирпичных опор этой дороги, Колбе попытался немного набрать высоту и отвернуть в сторону, чтобы избежать лобового столкновения. Однако именно в этот момент отказал правый и последний двигатель. Задев левой плоскостью кирпичную стену опоры, «Хейнкель» в 11.30 упал на землю. Его развернуло на 180°, и фюзеляж разломился на две части.
Когда спасатели смогли добраться до носовой кабины и взломать ее, то они обнаружили безжизненное тело Мёльдерса. Он был уже мертв – у него был перелом позвоночника и сильный ушиб грудной клетки. Возможно, он остался бы жив, если бы воспользовался привязными ремнями. Пилот «Хейнкеля» обер-лейтенант Колбе, пристегнутый ремнями, был еще жив, когда его вытащили из-под обломков, но по дороге в госпиталь он скончался. Погиб также и бортмеханик обер-фельдфебель Хоббе. Майор Венцель, получив тяжелое сотрясение мозга и несколько переломов рук и ног, остался жив. Пережил аварию и бортрадист Тенц, отделавшийся лишь переломом лодыжки.