Itinerář výletu předložil sportovnímu klubu na univerzitě a získal jejich rychlý souhlas s konáním expedice. Jeho skupina měla na lyžích dojít na horu Otorten a projít málo probádanou oblast oblých hor na území původních místních obyvatel Mansiů. Ti i v té době částečně pokračovali v tradičním způsobu života, pásli soby, věnovali se rybolovu a lovu.

Na začátku roku 1959 dal v té době 23 letý Ďatlov dohromady lyžařskou skupinu. Devět odvážlivců naverboval hlavně z řad studentů a svých vrstevníků. Všichni měli zkušenosti s náročnými zimními výpravami a byli dobrými lyžaři. Jedním byl Ďatlovův blízký přítel Georgij Krivoniščenko, který měl dva roky po univerzitě a pracoval v tehdy utajeném městě Čejlabinsk-40 v jaderném komplexu.

Dva další absolventi mezi účastníky byli Rustem Slobodin a Nikolaj Thibeaux-Brignolles, jehož otec byl věznen v jednom ze Stalinových táborů. Další studenti byli Jurij Judin, Jurij Dorošenko, Zinaida Kolmogorová a Alexandr Kolevatov. Nejmladší účastnicí výpravy byla Ludmila Dubininová, studentka ekonomie, kterou na její poslední podobné výpravě do divočiny někdo při lovu omylem postřelil. Na poslední chvíli byl do skupiny přidán výrazně starší a studentům neznámý člen výpravy, sedmatřicetiletý válečný veterán Semjon Zolotarev.

Skupina opustila Svedlovsk 23. ledna. Skupina si od začátku výpravy vedla deník, ve kterím zaznamenávali postup expedice. Několik z nich si na výpravu rovněž vzalo fotoaparáty.

Po dvoudenní cestě skupina dorazila 25. ledna do Ivdělu na Urale. Autobusem a pak nákladním vozem se přesunuli do osady Vižaj, posledního obydleného místa odkud měli expedici začít. Odtud ještě putovali na lyžích do opuštěného geologického kempu. Právě tady se odpojil Jurij Judin, kterého zhoršující se chronický revmatismus přinutil výpravu opustit. Skupina se tak zmenšila na devět lyžařů. 28. ledna se Judin vydal zpět do civilizace, zatímco zbytek výpravy pokračoval k hoře Otorten. V plánu měli dorazit zpět do osady Vižaj kolem 12. února a telegraficky informovat o svém návratu univerzitní sportovní klub. Telegram ale nikdy nepřišel.

Sportovní klub nejprve usoudil, že skupinu musely zdržet sněhové bouře a tvrdé podmínky v horách. Když se jim po několika dnech začali ozývat vyděšení příbuzní studentů, začalo 20. ledna pátrání po ztracené skupině. Na místo vyrazili jak dobrovolníci z řad studentů univerzity, strážní z vězeňského tábora v Ivdělu, příslušníci kmene Mansiů, zapojila se místní policie i armáda s letadly a vrtulníky.

25. února studenti našli stopy po lyžích, další den nalezli nad úrovní stromů na jedné z hor, kterou místní nazývali Mrtvou horou, stan patřící ztraceným lyžařům. Ten byl částečně zborcený a pohřbený pod sněhem. Když ho vykopali, zjistili, že je na několika místech rozříznutý. Uvnitř se však vše jevilo v pořádku, lyžařské boty a další vybavení bylo uspořádáno u jeho stěn, jídlo vypadalo jako připravené ke konzumaci, u kamen byla nachystaná hromádka dřeva, byly tu uložené deníky, oblečení i fotoaparáty.

O kus dál byly nalezeny stopy několika lidí, které směřovaly od tábořiště k hranici stromů. Některé otisky se přitom jevily, jako by je vytvořila bosá či jen v ponožce oblečená noha.

Druhý den ráno pátrací skupina nalezla těla Krivoniščenka a Dorošenka. Oba leželi pod vysokou borovicí na kraji lesa, vedle nich bylo vyhaslé ohniště, oba byli oblečení pouze ve spodním prádle a bosí. Oba měli na tělech popáleniny. Borovice měla polámané větve, jak na ni pravděpodobně šplhali. Mezi borovicí a stanem byli během dalšího pátrání nalezeni další členové expedice, Ďatlov, Kolmogorovová a Slobodin. Tato trojice byla nalezena v poloze, která vypovídala o tom, že se pravděpodobně vraceli zpět ke stanu. Měli zaťaté pěsti, modřiny a další poranění, Slobodin utrpěl frakturu lebky.

Tou dobou již probíhalo vyšetřování prokurátorem Lvem Ivanovem. Byly provedeny toxikologické testy, pořízeny svědecké výpovědi, vytvořeny diagramy a mapy místa činu a analyzovány důkazy. Stan a jeho obsah byl odvezen vrtulníkem z hor a znovu postaven na policejní stanici. To vedlo ke klíčovému objevu: švadlena, která přišla na stanici upravit uniformu, si náhodou všimla, že řezy ve stěnách stanu byly provedeny zevnitř. Stalo se tedy něco, co skupinu zkušených horalů přimělo zničit stan a vyběhnout bez jakéhokoliv vybavení a teplých oděvů do zuřící bouře a teplot kolem -20 stupňů pod nulou.

Čtyři těla stále nebyla nalezena, vyšetřovatele k nim zavedl až místní lovec, který v dubnu, když začal sníh tát, objevil poblíž borovice improvizovaný přístřešek. Podlážku z větví v hluboké sněhové jámě. Kolem byly nalezeny kusy oblečení, tepláky a kus dámského svetru. Pátrací tým pak za pomoci lavinových sond odhalil další čtyři pohřešované. Leželi společně v korytě potoka pod třemi metry sněhu. Tři z nich podle pitvy utrpěli fatální zranění.

Thibeaux-Brignolles utrpěl zlomeninu lebky tak vážnou, že se mu kusy kostí zarazily do mozku. Zolotarjev a Dubininová měli oba rozdcené hrudníky s četnými zlomeninami žeber, dívka měla rovněž masivní krvácení do pravé srdeční komory. Podle lékařů zranění odpovídala nárazu automobilu jedoucího vysokou rychlostí. Těla ale neměla výrazná vnější poranění, chyběly pouze oči, u dívky také jazyk a část horního rtu. Oběti měly na sobě oblečené, které předtím zjevně patřilo jiným osobám, a laboratoř zjistila, že několik předmětů vyzařovalo nepřirozeně vysokou úrovně radiace. Radiologický expert dosvědčil, že vzhledem k tomu, že těla byla měsíce vystavena tekoucí vodě, musela být úroveň radiace původně „mnohonásobně vyšší“.

Ivanov uzavřel vyšetřování 28. května. Došel k závěru, že nešlo o kriminální čin. Svou zprávu zakončil nevysvětlením, které spolu s dalšími okolnostmi udělalo z případu záhadu: oběti zemřely vlivem spontánní síly, kterou nebyli schopni překonat.

V klasickém sovětském stylu byla potrestána nebo vyhozena řada úředníků, kteří měli s tragédií pramálo společného, včetně ředitele U.P.I. nebo místního tajemníka komunistické strany. Vyšetřovací spisy, fotografie a časopisy byly utajovány a oblast kolem hory byla na léta uzavřena pro lyžaře i outdoorové nadšence. Stan byl uskladněn, ale nakonec zplesnivěl a musel být vyhozen. Sedlo v horách, kam lyžaři směřovali, dostalo jméno Ďatlovův průsmyk.

Rodiny lyžařů sice požadovaly důkladnější vyšetření události, k tomu ale nedošlo a událost zůstávala zapomenuta. Až v roce 1990 Ivanov, již v důchodu, publikoval článek ve kterém tvrdil, že při sestavování své zprávy z roku 1959 na něj byl vyvíjen nátlak, aby neuváděl své názory na to, co se stalo. Tvrzení, že lyžaři zemřeli na důsledky setkání s UFO nebo tepelnými paprsky či dalšími silami vytvořily z případu jednu z nejslavnějších záhad sovětské éry.

Obzvláště populární byly dvě z více než sedmdesáti teorií - lyžaři zemřeli, protože narazili na oblast, kde se testovaly tajné zbraně; alternativně byli „zabiti žoldáky“, pravděpodobně americkými špiony. Teorie také naznačovaly, že v oblasti byla tajná zbrojní základna nebo že nad táborem explodovala bludná střela. Přesto se navzdory masovému odtajňování dokumentů ze sovětské éry a usilovnému pátrání ďatlovských nadšenců žádný takový důkaz neobjevil.

Výrazně uvěřitelnější byly teorie o různým přírodních katastrofách. Uvažovalo se o lavině, která zasáhla stan, způsobila drtivá zranění a přinutila studenty, aby si prořezali cestu ven a utekli do lesa, část stanu ale zůstala stát, svah byl na lavinu příliš mírný a zranění několika osob byla příliš vážná, aby s nimi zvládi sami doběhnout více než kilometr od stanu. Ve hře byl i infrazvuk, vibrace pod úrovní lidského sluchu, který měl vyvolat takovou hrůzu, až lyžaři utekli ze stanu.

Probíraly se i další hypotézy zvažované už v roce 1959. Otrava oxidem uhelnatým z topení; náhlé šílenství způsobené konzumací špatného alkoholu nebo halucinogenních hub, nebo dokonce vraždu samotnými Mansi, pokud by například skupina zabloudila na posvátnou půdu. Pitvy ovšem první dvě možnosti vyloučily a místní Mansi byli naopak vyšetřovatelům vždy nápomocní a oblast pro ně byla zcela bezvýznamnou. Mezi nejzábavnějšími teoriemi pak byla ta o napadení Yetim, o kterém sami studenti nedlouho před svou smrtí sami vtipkovali.

Případ se podařilo znovu otevřít až v roce 2019. Prokurátor Kurjakov zorganizoval zimní expedici, která na místě prováděla experimenty a měření. Pokusili se určit přesnější polohu stanu a díky fotogrametrii se jim podařilo určit místo na strmějším svahu, než kde bylo místo původní. Výzkumem historických dat zjistili, že povětrnostní podmínky na hoře byl té noci ještě extrémnější, než se předpokládalo. Lyžaře zasáhl vítr o rychlosti kolem 100 kilometrů za hodinu a teploty kolem -30 stupňů Celsia.

Kurjakov od začátku zamítl sedmdesát dva teorií a konspiračních teorií o průběhu událostí a pracoval pouze se zbylými třemi teoriemi. Zbyly tak pouze tři přírodní jevy, které bylo třeba vzít v úvahu: lavinu, hurikán a desku sněhu klouzající přes stan. Právě poslední zmíněné bylo podle něj příčinou neštěstí a prezentoval to tak na tiskové konferenci.

Fotografie pořízené studenty ukazují, že při stavění stanu zařízli stavbu hluboko do sněhové pokrývky v pravém úhlu ke svahu. Později večer se pak od svahu oddělila sněhová deska, která pohřbila většinu stanu a způsobila zranění. Ze strachu, že spadne větší lavina, ci pak prořezali cestu ze stanu a utekli do lesa. V naprosté tmě pak nebyli schopní cestu zpět do zasypaného stanu najít. Kurjakov tuto teorii otestoval i v praxi pokusy s lidmi, které se zavázanýma očima vedl ze svahu.

Díky analýze fotografií také určil, že nové místo, kde stan stál, bylo již v dostatečně příkrém svahu, aby mohla vzniknout lavina. Tuto teorii potvrdili i švýcarští inženýři. Při vytváření matematického modelu sněhové struktury té noci vědci dokázali, proč se deska neuvolnila okamžitě, když do ní skupina zařízla při stavbě stanu, ale až o hodiny později: roli sehrálo husté sněžení během bouře. Rozhodnutí skupiny postavit stan ve větrném stínu vrcholu způsobilo, že pravděpodobně kopali do takzvané větrné desky – nahromaděného tvrdého sněhu ještě nebezpečnějšího, než typické sněhové desky.

Podle odborníků by se větrná deska jednoduše sklouzla přes stan a zastavila se, aniž by se vyvinula v plnohodnotnou lavinu, důkazy by pak o dvacet pět dní později, kdy se dorazily pátrací týmy, nemusely být viditelné. Obrovská váha sněhu pak lyžařům zabránila vzít si boty nebo teplé oblečení a donutila je proklestit si cestu ze svažující se strany stanu.

Švýcarští vědci se domnívají, že sněhová deska pravděpodobně způsobila i vážná zranění tří lyžařů nalezených ve sněhovém doupěti, ale vzhledem ke vzdálenosti těchto těl od stanu to zůstává nepravděpodobné. Kurjakovovo vysvětlení bylo důmyslnější. Devět lyžařů se stáhlo dolů, ukryli se pod borovicí a rozdělali oheň. Oheň, který v těchto extrémních podmínkách založili, je však nestačil zachránit. Dva nejhůře oblečení ze skupiny zemřeli jako první. Popáleniny jsou pak důkazem zoufalé snahy se zahřát.

Přeživší lyžaři svlékli oblečení ze svých mrtvých kamarádů a oblékli se do něj. V určitém okamžiku se skupina rozdělila. Trojice včetně Ďatlova, se pokusila vrátit do stanu a cestou v hlubokém sněhu umrzli. Ostatní čtyři, kteří byli lépe oblečení, se rozhodli postavit si sněhové doupě, kde by se přes noc ukryli. Potřebovali hluboký sníh, který našli v rokli. Bohužel místo, které vybrali, leželo nad potokem. Potok, který nikdy nezamrzá, vyhloubil hluboký ledový tunel a kopání skupiny způsobilo zhroucení stropu, shodilo je na kamenité koryto potoka a pohřbilo je do tří až pěti metrů sněhu. Tlak tun sněhu, který je tlačil na skály, způsobil traumatická zranění této skupiny. Poškození obličeje – chybějící jazyk, oči a ret – pravděpodobně způsobila zvířata a rozklad.

Závěry se setkaly s opovržením, zejména mezi rodinami obětí. Měsíc po tiskové konferenci dostal Kurjakov důtku za její neoprávněné konání a v říjnu byl ze své funkce odvolán. Jeho vysvětlení však jako jedno z mála není iracionální. Sněhová deska ve tmě vytvořila zdání skutečné laviny. Kurjakov ale uvedl, že ačkoliv lyžaři chybovali při umístění stanu, vše, co následně udělali, bylo učebnicové: provedli nouzovou evakuaci na místo, které by bylo bezpečné před lavinou, ukryli se v lese, založili oheň, vykopali sněhovou jeskyni. Kdyby byli méně zkušení, možná by zůstali poblíž stanu, vykopali ho a přežili.

Dnes je průsmyk populárním turistickým místem a ať už pěšky, na skútru nebo na lyžích se sem vypravují turisté z celého světa, aby si prohlédli svah, koryto potoka nebo borovici, jejíž otrhané větvě jsou stále patrné.