Неблагоприятные погодные условия усугубились сильным обледенением. Приходилось непрерывно заделывать пробоины в оболочке, возникавшие вследствие ударов по ней кусков льда, срывавшихся с винтов. Килевая качка и рысканье сопровождались вибрацией. Дирижабль шел очень неустойчиво в южном направлении уже 28 часов. Стало ясно, что он сильно отклонился от курса. Однако оценить его местоположение не представлялось возможным, так как под ним всюду был паковый лед, а сверху — плотный слой облаков.

Еще через 2,5 часа полета заклинил штурвал управления рулем высоты. Дирижабль снизился до 60 м. После этого удалось подняться на высоту около 800 м и выйти из облачности. Штурманы по солнцу установили координаты. Около 10 часов 25 мая неисправность штурвала была устранена. К этому времени дирижабль опять шел на двух двигателях под слоем облаков и непрерывно снижался. Высота составляла всего 200 м. Внезапно N-4 начал опускать корму. Скорость снижения достигла 0,5 м/с. Опять был запущен третий двигатель, однако спуск приостановить не удалось. Понимая, что столкновение со льдом неминуемо, Нобиле во избежание пожара отдал команду выключить двигатели и сбросить остаток балласта.

В 10.33 кормовая гондола столкнулась с ледяным торосом, при этом погиб один механик. Затем разрушилась командирская гондола. Находившихся в ней Нобиле и еще восемь членов экспедиции выбросило на лед. Облегченный дирижабль с остальными шестью участниками взмыл вверх и исчез. Видимо, все погибли, поскольку, несмотря на тщательные поиски этой группы, ни ее, ни следов дирижабля обнаружить не удалось. Возможно, что вскоре после подъема дирижабль взорвался, так как спустя несколько минут в направлении исчезнувшего воздушного корабля оставшиеся на льду наблюдали облако дыма.

Катастрофа произошла в точке с координатами 81°14′ с. ш. и 25°15′ в. д. На розыски группы Нобиле, группы Мальмгрена, предпринявшей попытку дойти пешком до Нордкапа, и вылетевших к ним на помощь на самолете и исчезнувших Амундсена и Гильбо направились спасательные экспедиции СССР, Италии, Швеции, Норвегии, Франции и Финляндии в составе 16 кораблей и 21 самолета, в которых приняли участие 1500 человек. Советский Союз выделил для поисков пропавших самый мощный в то время в мире ледокол «Красин» с самолетом летчика Б. Г. Чухновского на борту и ледокол «Малыгин» с самолетом летчика М. С. Бабушкина.

23 июня шведский летчик Е. Лундборг обнаружил лагерь экспедиции и вывез раненого Нобиле. Через 6 часов Лундборг прилетел еще раз, но при второй посадке самолет потерпел аварию. 10 июля Б. Г. Чухновский обнаружил двух членов группы Мальмгрена (сам он к тому времени погиб). 12 июля команда «Красина» приняла на борт всех найденных членов экспедиции.