В 22:12 (здесь и далее среднее время по Гринвичу) борт вылетел из Люксембурга и уже 2 марта в 07:57 лайнер приземлился в аэропорту Хартум (Судан). Здесь стоянка составила около часа, после чего в 09:05 "Дуглас" поднялся в воздух и ровно через десять часов в 19:05 того же дня приземлился в аэропорту Лоренсу-Маркиш (Португальская колония Мозамбик). Здесь стоянка составила уже чуть более полутора суток, что позволяло экипажу как следует отдохнуть. 4 марта в 08:00 самолет вылетел из Лоренсу-Маркиша и в 16:45 приземлился в аэропорту Дуалы (Камерун). До этого полет по маршруту проходили без отклонений.
Всего на борту находились 101 пассажир и 10 членов экипажа. В Дуале имелась достаточно длинная взлетно-посадочная полоса 12/30 протяженностью 2850 метров. Экипаж выбрал полосу 12 для взлета в юго-юго-восточном направлении. К тому времени уже стояла темная безлунная ночь, так как закат был в 17:35, а вечерние сумерки закончились в 17:56. В 18:02 были запущены двигатели, а в 18:05 самолет отъехал от перрона и направился к началу полосы 12. По указанию диспетчера рейс 153 задержался у предварительного старта примерно на 7 минут, так как в 18:13 в аэропорту приземлился Douglas DC-4 борт F-BBDK авиакомпании Air Afrique. На небе в это время стояла переменная облачность высотой от 400 метров, влажность 79%, ветер слабый северо-западный, температура воздуха 28.8° C. По сообщению экипажа африканского DC-4, к юго-востоку от аэропорта наблюдались кучево-дождевые (грозовые) облака, хотя небо над аэродромом и зоне посадки на полосу 30 (взлета с полосы 12) было чистым. DC-7 занял исполнительный старт в начале полосы 12, после чего диспетчер услышал увеличение оборотов двигателя, что производилось для очистки свечей зажигания и двигателей после продолжительной работы на холостом ходу. Подготовка двигателей заняла несколько минут, после чего в 18:20 рейс 153 выполнил взлет. Диспетчер наблюдал за взлетом, а в ходе расследования сообщил, что взлет выполнялся с выключенными посадочными фарами, при этом длина разбега по полосе составила 2400 метров.
Согласно показаниям диспетчера, самолет поднимался медленно, а вскоре были видны только его навигационные огни на малой высоте, которые затем скрылись за деревьями, а через пять секунд небо осветила яркая вспышка. Летя в полной темноте самолет подошел к границе джунглей, после чего в 2040 метрах от торца полосы 30 (2500 метров от точки взлета) и в 405 метрах левее продолжения ее оси, на высоте 22 метра над уровнем ее торца врезался в дерево диаметром около 20 см. Экипаж попытался уклониться от джунглей, но через 72 метра "Дуглас" врезался левой плоскостью крыла еще в два дерева. Теряя высоту и входя в левый крен, "Дуглас" пролетел еще 130 метров, после чего в 18:21 под углом 21° врезался в левый берег протекающего через джунгли ручья (приток реки Вури), и взорвался. Вытекшие из баков топливо и масло разлились по поверхности воды и загорелись. Выступающая над водой часть самолета была уничтожена пожаром, а все 111 человек на борту погибли.

26 июля 1963 года французская комиссия в Париже выпустила отчет по катастрофе рейса 153, в котором указала, что не может точно определить причину катастрофы. Есть лишь версия, что ее могло вызвать заклинивание пружинного механизма рулей высоты, что потребовало увеличения прикладываемых к штурвалу усилий. Не готовый к такому экипаж мог затянуть пробег по полосе, а после уборки закрылков произошла потеря высоты. Был ли на борту отказ какого-либо из приборов и могло ли это привести к катастрофе, комиссия также не смогла установить в виду полного разрушения приборов.

В 17:20 экипаж установил первый контакт с диспетчерским центром в Бомбее и доложил, что они следуют на эшелоне 360 (11 км), а ожидаемое время посадки (ETA) в Бомбее - 18:45, после чего запросил прогноз погоды на ETA. В 17:47 экипаж получил прогноз погоды от 17:30, а в 18:01 занял эшелон 350 (10.7 км). В 18:14 с самолета доложили о прохождении Аколы на эшелоне 350 в 18:13 и расчетном времени прохождения Аурангабада в 18:26, после чего будет начато снижение. В 18:20 экипаж установил связь с диспетчером подхода и спросил, можно ли начать снижение с эшелона 350 до эшелона 200, после того как будет пройден Аурангабад. Ответ был положительным. В 18:24:36 с самолета доложили о начале снижения, а в 18:25 диспетчер дал разрешение на снижение до эшелона перехода 4000 футов (1.2 км), эшелон полета 55 (1.67 км). В 18:29 экипаж доложил, что для посадки выбирает полосу 27. Затем в 18:38:34 экипаж запросил разрешение выполнить на высоте 5000 футов (1.52 км) разворот на 360 градусов со снижением, чтобы выйти на внешний маркер и далее выполнить прямой заход на посадку. После положительного ответа (диспетчер не расслышал, что разворот будет со снижением), в 18:39:58 с борта самолета было доложено о начале выполнения разворота на 360 градусов. Это было последнее сообщение с рейса 771. После этого экипаж на вызовы уже не отвечал и на связь не выходил.
В регионе стояла глубокая ночь. Хотя газеты позже и писали о сильном дожде и шквалистом ветре, но по официальным данным грозовой активности не было. Согласно показаниям местных жителей, а также экипажа DC-4 компании Indian Airlines, в это время шел небольшой дождь, однако никаких молний или аномальных погодных явлений не наблюдалось. Таким образом, погодные условия не были сложными. Затем, согласно показаниям местных жителей, примерно в 18:40 (00:10 8 июля по местному времени) на холме Давандячи, что в 11 километрах северо-западнее города Джуннар у вершины возник огромный огненный шар, который словно подпрыгнул, после чего быстро погас. Летящий по курсу 240 градусов рейс 771 на высоте 3600 футов (1097 метров, исходя из застывших показаний высотомера второго пилота) и в 5 милях (8 км) севернее обычного маршрута врезался в пологий склон всего в 5 футах (1.52 м) ниже ее вершины, после чего отскочил вверх и взорвался. Обломки разлетелись по широкой площади и быстро потухли. Все 94 человека на борту при этом погибли.

Было проведено в общей сложности 51 заседание и судебное слушание, а общий объем материалов расследования составил около 2300 машинописных страниц. В итоге виновником катастрофы был назван погибший командир Куаттрин, который из-за навигационной ошибки начал преждевременное снижение ночью и в приборных условиях полета. Не было найдено доказательств нахождения на борту плана полета, также как и присутствия в прогнозе погоды информации о муссоне, что привело к дезориентированию экипажа на местности. Способствовали катастрофе отказ командира использовать для определения местоположения доступные навигационные объекты, нарушение предписанной минимальной высоты и то, что экипаж не был знаком с местностью.

В 11:31 рейс 007 получил разрешение занимать исполнительный старт, а в 11:32 - разрешение на взлет. Экипаж увеличил режим двигателей, а через 6 секунд, когда они вышли на полный режим, отпустил тормоза, после чего авиалайнер начал разгон с ускорением около 1.8 м/с. Поначалу разгон проходил без отклонений со скоростью, которая была определена как 147 узлов (272 км/ч) и была достигнута примерно через 1500 метров, а на 48-й секунде достигнута скорость, равная 158 узлам (293 км/ч), после чего пилоты начали подъем переднего шасси. Но передняя стойка поднялась лишь незначительно, поэтому было принято решение прервать взлет, после чего штурвал был отклонен "от себя" и передняя стойка шасси вновь коснулась бетона, пробыв в воздухе около 4-6 секунд. От начала разгона самолет пробежал 2609 метров, а его скорость достигла максимального значения - 179 узлов (331,5 км/ч), когда в 680 метрах от конца ВПП пилоты задействовали реверс и аварийное торможение, хотя и не применили интерцепторы. В результате авиалайнер начал замедляться с ускорением около 2 м/с.
Первые 150 метров торможение происходило в нормальном режиме, но затем интенсивность торможения увеличили, что привело к блокировке колес и их юзу по бетонной полосе. Резина кордовой оболочки задымилась, а спустя 250 метров с начала торможения лопнули шины на правой стойке. Стальные диски колес заскользили по полосе, а авиалайнер начало разворачивать вправо, при этом оба правых двигателя (№ 3 и 4) коснулись поверхности полосы и начали оставлять белые следы сдираемой краски. Пилоты смогли выпрямить самолет по оси с помощью руля направления, но затем на скорости около 160 узлов (296 км/ч) Боинг выехал с ВПП. Через 110 метров левые стойки шасси отломились и оба левых двигателя врезались в землю. Левая плоскость крыла начала разрушаться, а вытекшее топливо воспламенилось, вызвав пожар. Далее Боинг пробил забор, оставив в нем двигатель № 2, а через 20 метров и в 300 метрах от полосы пересек окружную автодорогу, при этом разрушилась передняя стойка шасси. Заскользив под углом 40° "на брюхе" по крутому берегу Сены, самолет врезался в огни приближения и начал разрушаться. Затем он врезался в дом и гараж, при этом разрушилась кабина пилотов (тела обоих пилотов нашли в обломках гаража), после отделилась хвостовая часть, а основной планер пронесся еще 100 метров, после чего остановился в 550 метрах от ВПП 08. 62800 килограмм топлива воспламенились, вызвав пожар площадью около 2400 квадратных метра, который почти полностью уничтожил самолет.

Уже в 11:34 к самолету прибыла первая пожарная машина, которая единственная смогла преодолеть препятствия от аэропорта к месту катастрофы. К 11:38 прибыли и остальные 6 пожарных машин аэропорта, а в 11:40 - три машины скорой помощи, два автокрана и два грузовика с накрытыми тентами кузовами. В 11:45 спасательные службы нашли в относительно уцелевшей хвостовой части трех тяжелораненых стюардесс. Весь остальной самолет был полностью уничтожен. Позже одна из спасенных стюардесс скончалась в больнице от полученных травм. Всего же в катастрофе погибли 130 человек.

Среди причин катастрофы рассматривались такие версии, как отказ приборов, двигателей, систем управления, рулей, автоматики, а также ошибочные действия экипажа, потеря электропитания и даже саботаж. После рассмотрения вариантов, было установлено, что к катастрофе привели такие факторы, как неверный расчет скорости отрыва передней стойки от поверхности полосы и скорости отрыва самого самолета от полосы, которые оказались завышены, что требовало увеличения усилий, прикладываемых к штурвалу, а также отказ электрической системы управления электроприводом стабилизатора. Сочетание этих двух факторов привело к тому, что командир не приложил к штурвалу достаточных усилий, чтобы суметь превзойти сопротивление, созданное воздействующими на стабилизатор аэродинамическими силами. Когда же экипаж принял решение о прекращении взлета, имеющегося запаса длины полосы не хватало для безопасной остановки.
Проведенные испытания показали, что если бы пилоты приняли решение продолжать взлет, то КВС мог бы суметь приложить достаточно усилий для эффективного управления рулями высоты. По мнению же представителей Air France, командир экипажа в возникшей ситуации не имел всех необходимых элементов, для принятия решения, на которое оставалось несколько секунд. По вопросу, смог бы командир после принятия решения о прекращении взлета исправить возникшую ситуацию или нет, члены комиссии не смогли договориться.