La fermeture des vannes provoqua une augmentation de la pression dans le circuit primaire. Les générateurs diesel de secours démarrèrent comme prévu mais, pendant quarante petites secondes, le temps que les diesels atteignent leur régime de croisière, le débit de refroidissement du réacteur fut légèrement impacté à la baisse. C’était d’ailleurs précisément sur cette phase que portait le test de sécurité : étudier la capacité du réacteur à s’autoalimenter grâce à l’inertie du turbo-alternateur, dont l’énergie cinétique résiduelle devait permettre l’entraînement des pompes primaires de refroidissement le temps que les générateurs diesels atteignent leur pleine puissance. La question était de savoir si ce mode de fonctionnement, valable du point de vue théorique, fonctionnerait bien en pratique. Les membres de la salle de contrôle allaient avoir une réponse claire et définitive dans les secondes qui allaient suivre : à sept cents mégawatts comme cela avait été prévu, cela aurait presque certainement fonctionné mais, à deux cents mégawatts, les choses allaient terriblement mal se passer.

La légère baisse du débit de refroidissement provoqua quelques points chauds, suffisamment chauds pour créer des bulles de vapeur dans le liquide de refroidissement autour des assemblages de combustible. Le réacteur, instable, n’attendait plus que ça pour s’emballer. L’apparition des bulles provoqua un phénomène de coefficient de vide positif, qui engendra une baisse de la modération de la réaction de fission. La puissance du réacteur se mit à augmenter, très vite mais de manière tout d’abord contrôlée : le Skala réagit correctement et inséra des barres de contrôles dans le cœur du réacteur pour tenter de le modérer. Il y parvint pendant quelques secondes. Mais le Skala n’était pas tout puissant : avec vingt-quatre barres de contrôle manquantes pour assurer la limite de sécurité, le Skala ne put pas encaisser la formidable puissance que le réacteur était en train de libérer. La réaction de fission avait alors le champ libre et plus rien ne pouvait l’arrêter. La pression dans le réacteur augmentait de zéro virgule cinq bar par seconde. La puissance augmenta soudain de cinq cents trente mégawatts en trois secondes. Dans la salle de contrôle, on commença à comprendre que quelque chose n’allait pas.

À une heure vingt-trois minutes et quarante secondes, à peine trente-six secondes après le début de l’essai, Aleksandr Akimov déclencha l’arrêt d’urgence sous les ordres d’Anatoly Dyatlov. Mais c’était déjà trop tard, et contre-productif. Trop tard, parce que la chaleur dégagée par le réacteur avait déjà déformé les canaux dans lesquels les barres de contrôle étaient supposées s’insérer : elles se retrouvèrent bloquées au bout d’à peine un mètre cinquante au lieu des sept mètres de course prévus. Contre-productif, parce que le design des barres de contrôle était dramatiquement pervers : au lieu de modérer la réaction, lors des premiers centimètres de leur insertion, elles l’amplifièrent. Sous l’effet de la chaleur, les barres de combustible commencèrent à se disloquer. La pression augmenta à toute vitesse, faisant sauter les valves des pompes, ce qui eut pour effet de stopper totalement le débit de refroidissement. Il est communément admis que Valery Khodemchuk, machiniste dans la salle des pompes principales dont le corps fut enseveli sous les décombres et ne fut jamais retrouvé, fut tué sur le coup par la désintégration des machines, brûlé vif par la vapeur radioactive surchauffée. Le liquide de refroidissement, stoppé, entra alors en ébullition généralisée. La puissance dissipée par la réaction de fission atteignit la valeur astronomique de trente-trois mille mégawatts, soit cent fois sa valeur thermique nominale. Rendez-vous compte : c’est plus de la moitié de la puissance électrique de l’intégralité du parc nucléaire français d’aujourd’hui, concentrée dans la cuve d’un seul réacteur. La pression augmenta à la vitesse absolument effarante de quinze bars par seconde. La vapeur surchauffée se mélangea au zirconium disloqué. Des réactions chimiques exothermiques produisirent de l’hydrogène et de l’oxygène, rien de moins que le couple chimique le plus puissant qui existe, et l’un des plus prompts à l’explosion. Tout le bâtiment se mit à vibrer. Valery Perevozchenko se situait sur une passerelle au-dessus du réacteur à ce moment-là. Il assista, terrifié, au soulèvement rythmique des blocs de béton et d’acier de trois cents cinquante kilos qui composaient la dalle de mille tonnes qui scellait la cuve du réacteur n°4 et qui était sur le point de décoller. L’explosion principale fit le bruit d’un avion de chasse franchissant le mur du son, secouant tout le bâtiment, brisant les vitres, enfonçant les portes, gondolant les murs et faisant vaciller les lumières. L’explosion éjecta soixante-dix tonnes de combustible hautement irradié et sept cents tonnes de graphite incandescent partout aux alentours, retombant sur les toits bitumés qui prirent feu à leur tour. Des poutres, des tôles et des blocs de béton armés furent expulsés dans tous les sens. La dalle de dix-sept mètres de diamètre fut soulevée par l’explosion, déchirant et détruisant tout sur son passage, avant de retomber de biais sur la cuve du réacteur, l’endommageant encore davantage. Tout le bâtiment fut éventré. Des flammes sortaient du réacteur, directement vers l’extérieur. Le panache rougeoyant dégueulé par le monstre atteignit cent soixante-dix mètres de hauteur. De la vapeur brûlante et ionisée s’engouffra dans ce qui restait du bâtiment, des particules solides et des gouttes d’eau radioactives flottaient dans le noir et le néant. La gorge serrée et les yeux brûlants, Anatoly Dyatlov se mit à balbutier qu’il avait pourtant « tout fait correctement ».