„Kursk” zatonął podczas wielkich letnich manewrów Floty Północnej na Morzu Barentsa, w których uczestniczyło około 30 jednostek. Jego rola miała polegać na odpaleniu dwóch torped ćwiczebnych – w tym prawdopodobnie torpedy 298A PV kalibru 650 mm, która do zasilania napędu wykorzystuje stężony nadtlenek wodoru tzw. HTP i naftę. Prawdopodobnie to wyciek nadtlenku wodoru spowodował 12 sierpnia 2000 o 11:28 czasu moskiewskiego (7:28 czasu uniwersalnego) eksplozję o sile 100 kilogramów trotylu, która wywołała wstrząs o sile 1,5 stopnia Richtera.

Wodoszczelne grodzie rozdzielające przedział torpedowy od reszty okrętu były wtedy otwarte, przez co wybuch rozprzestrzenił się na dwa pierwsze z dziewięciu przedziałów okrętu zabijając siedmiu i raniąc, bądź ogłuszając 36 marynarzy.

Rozszerzający się pożar spowodował zapłon i wybuch pozostałych torped. Druga eksplozja zarejestrowana o 11:30 miała siłę 3,5 stopnia w skali Richtera i wyrwała w kadłubie dziurę o średnicy dwóch metrów. Fala uderzeniowa tego wybuchu zniszczyła wszystko na swojej drodze i zatrzymała się dopiero na przedziale reaktorów atomowych. Okręt przechylił się do przodu i opadł na dno osiadając na głębokości 108 metrów na pozycji 69°37′00″N i 37°34′25″E.

Gdy okręt opadał na dno, powinna uwolnić się automatyczna boja sygnalizacyjna pozwalająca określić jego położenie i ułatwiająca dotarcie ratownikom do włazu awaryjnego. Prawdopodobnie została ona jednak zdezaktywowana, ponieważ obawiano się, że podczas gwałtownych manewrów mogłaby się sama uwolnić zdradzając pozycję okrętu uczestniczącym w manewrach wraz z „Kurskiem” jednostkom.

23 marynarzy pracujących w przedziałach od szóstego do dziewiątego ocalało i zgromadziło się w dziewiątym przedziale czekając na pomoc. Ponieważ reaktory atomowe samoczynnie się wyłączyły, a akumulatorowe zasilanie awaryjne wkrótce się wyczerpało, ludzie pozostawali w całkowitych ciemnościach i z coraz mniejszą ilością tlenu. Być może mieli szansę wydostać się na powierzchnię przez właz ewakuacyjny, jednak było to bardzo ryzykowne.

Nie wiadomo, jak długo żyli uwięzieni ludzie – według niektórych teorii zginęli bardzo szybko, według innych przetrwali kilka dni. Mogłyby o tym świadczyć odnalezione przy nich po wydobyciu wraku chemiczne zestawy służące do oczyszczania powietrza z dwutlenku węgla i wzbogacania go w tlen. Prawdopodobnie pożar wywołany zamoczeniem takiego zestawu stał się ostateczną przyczyną śmierci ocalałych z wybuchu marynarzy.

Jeden z trzech oficerów, którzy przeżyli wybuch, Dmitrij Kolesnikow, zanotował nazwiska 23 ocalałych, a przed śmiercią zostawił ostatnią notatkę:

Jest zbyt ciemno, ale spróbuję pisać po omacku. Chyba nie ma szans, 10-20 procent. Mamy nadzieję, że ktoś to jednak przeczyta. Poniżej jest lista ludzi z załogi innych przedziałów, którzy zgromadzili się w dziewiątym i będą próbowali wyjść. Pozdrowienia dla wszystkich, nie trzeba rozpaczać. Kolesnikow.

Akcja ratunkowa

Początkowo pozostałe jednostki uczestniczące w manewrach nie zgłaszały eksplozji sądząc, że to część zaplanowanych ćwiczeń. Dopiero wieczorem, wobec niemożliwości nawiązania kontaktu z „Kurskiem”, rozpoczęto akcję ratowniczą. Następnego dnia rano echosonda krążownika „Piotr Wielki” zlokalizowała „Kursk” leżący na dnie. Około 8:40 na miejsce przypłynął statek ratowniczy „Michaił Rudnicki”, który podjął nieudane próby połączenia kapsuł ratunkowych z lukiem awaryjnym dziewiątego przedziału. Równocześnie trwały próby dostarczenia na pokład tlenu i elektryczności.

Dopiero w poniedziałek 14 sierpnia 2000 roku władze rosyjskie poinformowały media o katastrofie, początkowo twierdząc, że miała ona miejsce w niedzielę, nie w sobotę. Informowano też, że jest łączność radiowa z załogą, a następnie, że porozumiano się z nią stukaniem w kadłub.

W nocy z poniedziałku na wtorek z ofertą pomocy w akcji ratunkowej wystąpili Brytyjczycy, Amerykanie i Norwegowie. Rosja odmówiła. Następnej nocy w kwaterze NATO toczą się rozmowy w sprawie pomocy. W środę po południu Rosja oficjalnie poprosiła o pomoc Norwegię i Wielką Brytanię. Tego samego dnia wicepremier Rosji Ilja Klebanow powiedział, że na „Kursku” nie ma już śladów życia.

W czwartek rano brytyjski batyskaf ratunkowy LR5 wraz z brytyjsko-norweską załogą wyruszył na Morze Barentsa – na miejsce przybył w sobotę wieczorem. Do tego czasu Rosjanie podjęli wiele nieudanych prób dotarcia do wnętrza „Kurska”. Dopiero w niedzielę zezwolono norweskim nurkom na sfilmowanie wraku, a następnie opuszczenie się w dzwonie nurkowym i zbadanie kadłuba. W poniedziałek 21 sierpnia 2000 roku Norwegowie dotarli do wnętrza „Kurska” przez właz awaryjny dziewiątego przedziału. Znaleźli tam ciała marynarzy i stwierdzili, że cały pokład jest zatopiony i nie ma szans, by ktoś przeżył. Akcja ratunkowa zakończyła się.

Podczas całej akcji rosyjskie dowództwo wielokrotnie ogłaszało sprzeczne ze sobą i nieprawdziwe komunikaty, narażając się na poważną krytykę mediów i specjalistów.

W 2001 roku wrak „Kurska” został przecięty. Jego większa część, poza dziobem zawierającym przedział torpedowy, została wydobyta z dna przez 3 firmy specjalistyczne, holenderskie Mammoet i Smit Tak, która jest częścią Smit International Group oraz norweską Halliburton Subsea, przy czym Mammoet pełnił funkcję głównego wykonawcy. Brytyjska barka „Gigant-4" przetransportowała wrak do stoczni w Roslakowie koło Siewieromorska, gdzie dotarł w październiku 2001 roku.

Fragmenty części dziobowej wysadzono 20 czerwca 2002 roku.

Przyczyny zatonięcia

1 lipca 2002 roku rosyjski minister przemysłu i nauki Ilja Klebanow, kierujący oficjalną komisją wyjaśnienia okoliczności zatonięcia „Kurska” ogłosił, że przyczyną katastrofy był wybuch torpedy. Spowodował go wyciek nadtlenku wodoru napędzającego torpedę typu 298A PV, który wywołał pożar i wybuch w wyrzutni torpedowej, a następnie eksplozję amunicji. Powstały też inne teorie wyjaśniające katastrofę, stanowią one jednak hipotezy nie podparte żadnymi ustaleniami faktycznym:

• Wybuchła superkawitacyjna torpeda WA-111 Szkwał o napędzie rakietowym. Rosjanie postanowili ukryć ten fakt, gdyż stanowiłoby to złą reklamę dla ważnego produktu eksportowego.
• Niemal natychmiast po katastrofie niezależna czeczeńska agencja informacyjna Kavkaz Center poinformowała, że przyczyną wybuchu była samobójcza akcja członka załogi – muzułmanina z rejonu Dagestanu mająca stanowić poparcie dla Czeczenów walczących z Rosją (wśród załogi służyło 2 marynarzy wyznających islam, z których jeden miał dostęp do luku torpedowego).
• Francuski filmowiec Jean-Michel Carré w swoim filmie dokumentalnym Koursk: un sous-marin en eaux troubles prapremiera 7 stycznia 2005 roku na kanale France 2 (Kursk w mętnych wodach – ostatnia emisja telewizyjna w języku polskim: TVP 2 7 września 2012) zasugerował, że „Kursk” zatonął w wyniku kolizji z amerykańskim okrętem podwodnym USS Toledo (SSN-769) oraz trafienia torpedą Mark 48, wystrzeloną z amerykańskiego okrętu podwodnego USS Memphis (SSN-691). Niedługo po zatonięciu Kurska Amerykanie zredukowali zadłużenie Rosji względem USA.
• Wiceadmirał Jewgienij Czernow, były dowódca okrętów podwodnych Floty Północnej sugerował, że w czasie manewrów po wynurzającym się „Kursku” przepłynął jeden z okrętów nawodnych i to spowodowało wybuch torpedy.

Kursk w kulturze

• W filmie Operacja Delta Force 2: Na ratunek z 1998 okręt Kursk zostaje porwany przez terrorystów, którzy zaplanowali jego zatopienie.
• Zespół Strefa Mocnych Wiatrów wykonuje utwór poświęcony załodze K-141.
• Szwedzki heavymetalowy zespół Wolf nagrał utwór poświęcony Kurskowi na płycie „Legions of Bastards” z 2011 roku.
• Rosyjski zespół rockowy ДДТ (DDT) stworzył utwór „Капитан Колесников” (Kapitan Kolesnikow).
• W utworze Mani Vs Apati Diagnose: Lebensgefahr wykorzystano nagrania z Kurska
• Kasia Kowalska poświęciła pamięci załogi Kurska utwór „Czekam, boję się”, pochodzący z albumu „5” wydanego w listopadzie 2000 roku.