101 Menschen kamen ums Leben, 105 wurden verletzt, davon 70 schwer. Es handelt sich um den bislang schwersten Eisenbahnunfall in der Geschichte der Bundesrepublik Deutschland – schwerster in der deutschen Geschichte überhaupt war der Eisenbahnunfall von Genthin 1939 – sowie aller Hochgeschwindigkeitszüge weltweit.
Um 10:57:28 Uhr brach bei zirka 200 km/h Fahrtgeschwindigkeit, etwa sechs Kilometer vor dem Ort Eschede, bei Streckenkilometer 55,1 ein Radreifen durch Materialermüdung an einem Rad der dritten Achse des ersten Wagens (Personenwagen 1) hinter dem führenden Triebkopf 051. Der abgesprungene Radreifen wickelte sich ab, bohrte sich durch den Wagenboden und blieb zwischen zwei Sitzen in einem Abteil stecken.
Bei der Untersuchung des Unfalls wurde bereits rund sechs Kilometer vor der Unfallstelle am Streckenkilometer 55,1 eine etwa 20 cm lange und 4 cm tiefe Kerbe in einer Schwelle entdeckt, bei Kilometer 55,2 war der Linienleiter der Zugsicherung durchgerissen. Ab Kilometer 56,4 wurden deutliche Schlagschäden an den Betonschwellen registriert.
Als der Zug um 10:59:01 Uhr, etwa 200 Meter vor einer Straßenbrücke am Ortsrand von Eschede, über die erste von zwei aufeinander folgenden Weichen (Weiche 2) im Südkopf des Bahnhofs Eschede fuhr, prallte der noch immer im Zugboden steckende Radreifen um 10:59:06 gegen einen Radlenker der Weiche und riss diesen von den Schwellen; auch er bohrte sich durch den Zugboden, schoss im Vorraum (im Türbereich) bis in die Decke hinauf, wodurch der Wagen angehoben wurde und das hintere Drehgestell aus der Spurführung fiel.
Eines dieser entgleisten Räder traf auf die Weichenzunge der zweiten Weiche (Weiche 3, km 60,591) und stellte sie dabei um, so dass die hinteren Achsen von Wagen 3 auf das in Fahrtrichtung rechts abzweigende Gleis gelenkt wurden. Auf dem für viel geringere Geschwindigkeiten ausgelegten Weichenradius konnte sich der seitlich ausgelenkte Wagen nicht halten und schleuderte mit seinem Ende über das nicht durchgehende Hauptgleis hinaus und gegen die Pfeiler der Brücke der Kreisstraße 20, die dadurch einstürzte; zwei unter der Brücke stehende Signaltechniker, die dort mit Wartungsarbeiten beschäftigt waren, wurden getötet.