A 6. körben a versenyt vezető Senna a Tamburello-kanyart nem tudta bevenni, egyenesen a betonfalnak ütközött Egy pillanatra látni lehetett, ahogyan a sárga sisak félrebillen. Sokan fellélegeztek, hogy Ayrton még él, azonban többet már nem mozdult. Voltak, akik már ekkor a legrosszabbra számítottak, és ez csak fokozódott, amikor elszállítása után vérnyomok voltak a kavicságyon. Senna halálát nem az ütközés, hanem a jobb szemébe fúródó, kerekestül leszakadt felfüggesztés-rúd okozta, megtalálva azt a néhány milliméteres gumírozott helyet, ami a sisak és a rostély között van. A versenyt hosszú időre megszkították, és a brazilt helikopterrel szállították a bolognai kórházba, hivatalosan 18 óra 40 perckor halt meg. A baleset pontos körülményei máig tisztázatlanok.

Egyesek szerint technikai probléma adódott, mások szerint Senna hibázott és túl gyorsan érkezett a kanyarba. Sennának korábban gondjai akadtak a kormánnyal, és új, megtoldott kormányművet kapott a versenyre. A vizsgálatok szerint a kormányoszlop eltört, de nem tudni, hogy ez a baleset előtt vagy után történt. Ezt megcáfolják a Williams által nyilvánosságra hozott telemetrikus adatok, amelyek szerint az ütközésig mérhető volt a Senna által a kormánykerékre kifejtett forgatónyomaték.

Egy másik teória szerint az FW16 alváza hozzáért az egyenetlen aszfalthoz, ami megdobta az autót, a leszorítóerő eltűnt, és Senna már nem tudta lefékezni versenygépét a betonfal előtti homokágyban. A rajtbaleset után öt körig a Safety Car vezette a mezőnyt, és a lassú tempó miatt a gumik lehűltek, a nyomás a gumiabroncsokban lecsökkent, így az alvázmagasság is.

Az ezután következő Monacói Nagydíjon a rajtrács első két pozícióját üresen hagyták, egy brazil és egy osztrák zászlót festettek rá, Roland Ratzenberger és Ayrton Senna előtt tisztelegve.

Az imolai tragikus hétvége után számos új biztonsági előírást vezettek be a Formula–1-ben. A pályákat, köztük Imolát is átépítették, nagyobb bukóteret hagyva a kicsúszásokhoz.