Вечером 31 мая лайнер поднимается в небо. Экипаж включает автопилот и занимает эшелон 10 650 метров. Полет проходит штатно и наступают следующие сутки. Каждые 15 минут происходит автоматическая передача данных о местонахождении самолета на землю. В 01:33 экипаж сообщает диспетчеру, что они проходят контрольную точку на заданной высоте.

В 01:48 лайнер покидает зону ответственности Бразилии и входит в так называемую «мертвую зону» над Атлантическим океаном, где его не видят радары. По плану вскоре они должны войти в зону ответственности Сенегала. В «мертвой зоне» связь с самолетами часто теряется.

Проходит час, другой, но пилоты с диспетчером Дакара на связь так и не выходят. Спустя несколько часов после потери связи спасатели и военные по обе стороны Атлантики начинают поиски пропавшего рейса. Вначале была надежда, что у самолета произошел отказ радиосвязи. Но когда лайнер не приземлился по расписанию, аэропорт Парижа официально объявил, что рейс пропал. В течение дня военные и гражданские специалисты продолжали поиски обломков. Основная версия состояла в том, что самолет упал где-то в океане. С наступлением вечера все понимали, что шансы найти выживших очень малы.

Автоматические сообщения самолета о его координатах позволили сузить зону поиска. Спустя пять дней поисковая группа обнаружила личные вещи пассажиров и тела двух погибших мужчин. Также было найдено синее кресло самолета и кислородная маска. В течение последующих дней из воды было поднято в общей сложности 50 тел погибших пассажиров и многочисленные фрагменты лайнера.

Единственное, что могло пролить свет на случившееся – бортовые самописцы. Но большая глубина и территория осложняли процесс их поисков. Спустя полтора месяца было принято решение о прекращении поисков черных ящиков и переходе ко второй фазе с привлечением глубоководных аппаратов, так как глубина океана в месте крушения составляла более 3000 метров. Уже на тот момент появилась теория, что к катастрофе могли привести дефекты и нарушения в работе трубок Пито, отвечающих за показания скорости. Хотя это была лишь версия, авиакомпания «Air France» все же начала процесс их замены на самолетах Airbus.

После полутора лет с момента крушения большая часть обломков и бортовые самописцы так и не были обнаружены. 25 марта 2011 года было объявлено, что начинается последняя поисковая операция. В период с апреля по июнь с помощью специальных глубоководных роботов были обнаружены большие фрагменты лайнера (крыло, шасси и оба двигателя). Также были найдены оба бортовых самописца. Всего обнаружено 154 тела погибших. Оставшиеся 74 тела не найдены до сих пор.