29 сентября 1957 года на одной из «банок» произошла серьезная поломка в системах охлаждения. Работники комбината заметили, что «банка» сильно разогрелась, но не успели сообщить об этом руководству — «банка» взорвалась, и почти все содержимое оказалось выброшено в окружающую среду. Причем при взрыве бетонная плита — перекрытие каньона весом в 160 тонн — была сорвана и отброшена на семь метров. В воздухе оказалось порядка 20 миллионов кюри радиоактивных веществ, которые сильным юго-западным ветром разнесло по территории Челябинской, Свердловской и Тюменской областей.
В этот воскресный солнечный день многие горожане находились на стадионе «Химик», где проходил футбольный матч между командами «Динамо» и «Красная звезда». Далеко не все болельщики обратили внимание на прогремевший в половине пятого взрыв.
На высоту более километра поднялся в небо мерцающий оранжево-красным светом столб дыма. Зарево от взрыва видели даже в Челябинске, приняв его за редкое для этих мест северное сияние.
Очевидец катастрофы, полковник в отставке И.Ф. Серов впоследствии вспоминал: «Я занимал тогда должность начальника химической службы и был в день взрыва дежурным по войсковой части 3445, которая находилась всего в километре от реакторного завода. Около 16 часов 30 минут раздался сильный взрыв. От взрыва вылетели стекла из всех окон казармы, обращенных к фронту ударной волны, были сорваны металлические ворота. Все военнослужащие в первый момент выбежали на улицу, некоторые побежали в оружейный парк за оружием. Часовой, который стоял у въездных ворот, прыгнул в канализационный колодец и занял там оборонительную позицию. Когда один из офицеров крикнул: „Рядовой Петренко, где вы?“, — он вылез из колодца и спросил: „Товарищ старший лейтенант, началась война?“ Офицер ему сказал, чтобы он надевал противогаз и продолжал нести службу. В это время там, где находилось хранилище радиоактивных отходов, поднялся огромный столб пыли…» Понимая, что авария скорее всего связана с радиационными выбросами, И.Ф. Серов приказал всех людей запереть в казармах, срочно заделать выбитые окна, запретить выдачу продуктов из столовой, полить полы водой, чтобы не поднималась пыль. А над казармами уже нависало зловещее черно-серое облако. Казалось, наступили сумерки, смолки голоса птиц… Жуткое впечатление усиливалось внезапным воем сторожевых собак. Примчавшиеся в войсковую часть дозиметристы замерили радиационный фон и заявили, что необходима срочная эвакуация всего личного состава. Но для эвакуации требовалось получить разрешение из Москвы, и на согласование ушло несколько часов. Покидали часть на открытых бортовых машинах и пешим строем. В военном городке всех военнослужащих первым делом отправили в баню, где они несколько часов отмывались горячей водой, потом всем выдали чистое белье и новое обмундирование. Оказалось, что оружие подверглось сильному заражению. С деревянных частей оружия соскабливали стружку, металлические детали драили песком и шкуркой. Служебных собак пришлось пристрелить. Один солдат-конюх пожалел старого коня по кличке Гром, увел его из зараженной части в военный городок, но конь стал болеть, шерсть облезла, и на спине появились язвы. Коня вскоре пришлось забить.
30 сентября на место катастрофы прибыла правительственная комиссия во главе с министром среднего машиностроения СССР Е.П. Славским, одним из первых директоров «Маяка». «Доклад с комбината в Москву был путаный, — вспоминал впоследствии Ефим Павлович. — Мы собрались в министерстве и решили, что, видимо, был атомный взрыв. Надо докладывать правительству. Хрущев в отпуске, его замещал Микоян. Я доложил ему, что произошел атомный взрыв…» Прибыв на место аварии, Е.П. Славский издал приказ: для ликвидации последствий аварии сформировать два отряда военных по 200 человек в каждом. В приказе было оговорено, что все участники операции будут уволены в запас по окончании работ. Определялась также максимальная доза облучения — 25 рентген. Но на практике эта норма не соблюдалась, люди получали гораздо большие дозы… После каждой рабочей смены загрязненную радиацией спецодежду полагалось уничтожать.
Основное «пятно» радиоактивного загрязнения пришлось на территорию самого химкомбината «Маяк».
Оказалось, что радиационное облако прошло и над территорией лагеря. Всех заключенных раздели и долго поливали из пожарной машины.
Сам Челябинск-40 не попал в зону заражения, но радиационная «грязь» проникала в город на колесах машин, ее приносили люди на своей одежде. Пришлось организовать мойку всего автотранспорта. Начался дозиметрический контроль квартир. Выявленные предметы быта, которые «звенели» от радиации, подлежали изъятию и уничтожению. В одной квартире был зафиксирован особенно высокий радиационный фон. Оказалось, что здесь недавно умерли младенец и его мать, а отец ребенка тяжело заболел. Как выяснилось, кроватка, где спал ребенок, была сделана из труб, вынесенных с реакторного завода.