1931年11月18日，徐志摩乘火車由上海到達南京；19日上午8時，乘中國航空公司「濟南」號飛機由南京飛往北平。飛機師王貫一、副機師梁壁堂，年齡均為36歲。飛機上除運載了40餘磅郵件外，乘客僅徐志摩一人，也是36歲。開始天氣甚佳，不料在黨家莊一帶忽遇漫天大霧，飛機師為尋覓航線，降低飛行高度，不慎誤觸開山山頂，機油四溢，機身起火，墜落山腳。待村人趕來時，兩位飛機師已燒成焦炭。徐志摩座位靠後，僅衣服著火，皮膚有一部分的傷，但他額頭撞開一個大洞，成為致命創傷。當晚，細雨霏霏，似乎是在哀悼天才詩人的早逝。
21日下午，徐志摩的靈柩暫停在濟南福緣庵，後由友人沈從文、梁思成，親戚張嘉鑄等主持，將遺體運往上海，由萬國殯儀館重殮，在靜安寺設奠，最後安葬在詩人的故鄉浙江海寧硤石鎮東山萬石窩，墓碑系書法家張宗祥所題。
一代詩魂，悄然離去。60歲的徐申如聽到消息時，老淚縱橫，凄然嘆道：「完了！」愛恨情愁，悲歡離合，全部帶走了。這一年的4月，妻子病故，11月，兒子又死於非命。老人痛不欲生。這一聲炸響，更驚醒了紙醉金迷中的陸小曼，她寫下了哀婉凄絕的輓聯：
多少前塵成噩夢，五載哀歡，匆匆永訣，天道復奚論，欲死未能因母老；
萬千別恨向誰言，一身愁病，緲緲離魂，人間應不久，遺文編就答君心。
徐志摩遇難的噩耗傳出後，在文藝界引起很大震動，就連一度跟他筆墨相譏的魯迅也從《時報》上剪下了關於這次空難事件的報道。徐志摩一向將年長自己6歲的胡適視為兄長。噩耗傳來，胡適更是痛心疾首，他在徐志摩遇難次日的日記中感慨地寫道：「朋友之中，如志摩天才之高，性情之厚。真無第二人！」並寫了《追悼志摩》一文寄託哀思：「……他的失敗是因為他的信仰太單純了，而這個現實世界太複雜了。他的單純的信仰經不起這個現實世界的摧毀。」周作人說：「中國新詩已有十五六年的歷史，可是大家都不大努力，更缺少楔而不舍地繼續努力的人，在這中間志摩要算是唯一的忠實同志。」梁實秋則認為：「志摩的天才在他的散文里表現最清楚最活動。」沈從文號召：「紀念志摩的唯一方法，應當是擴大我們個人的人格，對世界多一分寬容，多一分愛。」
蔡元培的輓聯最為精妙：「談話是詩，舉動是詩，畢生行徑都是詩，詩的意味滲透了，隨遇自有樂土；乘船可死，驅車可死，斗室坐卧也可死，死於飛機偶然者，不必視為畏途。」
徐志摩遇難後，文壇才俊紛紛撰文紀念，唯詩人聞一多遲遲沒有反應，以致他的學生臧克家不禁發問，「你是公認的徐的好朋友，為什麼沒有一點表示呢？」聞一多回答，「志摩一生，全是浪漫的故事，這文章，怎麼個做法呢？」
林徽音得知徐志摩為了省幾個錢和趕時間來聽她在協和醫院小禮堂的講演，從南京搭乘郵政飛機赴京，途中因大霧在濟南撞山鎩羽而亡的消息，痛心如焚。除了一手張羅徐志摩後事，還寫下了悼懷徐志摩純真友情的詩歌《別丟掉》：「別丟掉／這一把過往的熱情，／……你仍要保存那真！／一樣是月明，／一樣是隔山燈火，／滿天的星，／只使人不見……」1934年11月，林徽因和梁思成去南方考察路過硤石，停車的幾分鐘里，她下了車，在昏沉的夜色里，獨自站在車門外思念。1935年，林徽音發表了《紀念志摩去世四周年》一文，內有「凝望著幽黯的站台，默默的回憶許多不相連續的過往殘片，直到生和死間居然幻成一片模糊，人生和火車似的蜿蜒一串疑問在蒼茫間賓士……如果那時候我的眼淚曾不自主的溢出睫外，我知道你定會原諒我的。」她將徐志摩乘坐的焚燒過的一塊飛機殘片拿回家置於起居室中，一直到她1955年辭世。林徽因在《紀念志摩去世四周年》一文最後一段寫道「你走後大家就提議要為你設立一個『志摩獎金』來繼續你鼓勵人家努力詩文的素志，勉強象徵你那種對於文藝創造擁護的熱心，使不及認得你的青年人永遠對你保存著親熱。」徐志摩的朋友們的確擬定了《徐志摩紀念獎金章程草案》。此草案的擬定寄託了徐志摩朋友對徐志摩深切懷念的感情，但由於時局動蕩不安，新月派文人離散，方案未能施行，這不能不說是一個遺憾。
徐志摩乘飛機失事，20日晚趙元任心情沉重地把《大公報》上刊登飛機失事的消息剪下來，加上注，貼在日記里。他寫道「晚聽說徐志摩坐飛機上死了!!!，可惜徐志摩沒能聽到《海韻》的演出。」徐志摩遇難後，他寫給陸小曼的詩歌《海韻》，便由趙元任譜曲成歌，一時成為「絕唱」。