Идея построить супервысотный дирижабль появилась у инженеров Ленинградского отделения Осоавиахима еще в 1930-м. На разработку проекта и постройку аппарата ушло несколько лет, и в 1933 году комиссия Гражданского воздушного флота допустила его к полетам. Первый вылет планировалось сделать в сентябре, но погода не позволила. Тогда Центральный совет Осоавиахима перенес старт на весну 1934 года, аппаратуру стратостата сняли, оболочку сложили.
Но 30 сентября того же года произошел запуск стратостата "СССР-1", созданием которого занимались в Москве. Этот аппарат стал первым советским стратостатом и достиг высоты 19 300 метров, больше, чем на 3 тысячи метров побив мировой рекорд. Тогда командир "Осоавиахима-1" Павел Федосеенко, выпускник военно-воздушной академии и опытный аэронавт, летавший еще в Гражданскую, подал рапорт с предложением поднять свой стратостат зимой, посвятив полёт XVII съезду компартии. Инициативу одобрили.
28 января 1934 года "Осоавиахим-1" привезли в Кунцево и начали готовить к полету. 30 января в девять часов утра стратостат оторвался от земли. В экипаже было три человека: командир Павел Федосеенко; бортинженер Андрей Васенко, главный конструктор по аэростратостроению Института аэрофотосъёмки и автор проекта "Осоавиахима-1"; инженер-физик Илья Усыскин, ученик академика Иоффе, в чьем ведении находилась вся научная аппаратура, установленная на стратостате.
Первую радиограмму с "Осоавиахима-1" приняли в 09:16 - полет проходил в штатном режиме. В 11:16 со стратостата сообщили, что достигли высоты 20 500 метров. Это был новый мировой рекорд.
Связь с экипажем прервалась около полудня. Картину происходившего позже восстановили по записям бортового журнала.
К 12:33 аппарат поднялся на еще большую высоту - 22 000 метров и экипаж начал снижение. За несколько часов пребывания в стратосфере баллон перегрелся, наполнявший его газ расширился, поэтому для начала спуска потребовалось сбросить больший объем, чем планировалось. Но потом, когда солнце начало заходить, а аппарат опустился приблизительно до 12 км, температура газа внутри баллона и воздуха снаружи практически сравнялись, подъемной силы баллона перестало хватать и "Осоавиахим-1" начал падать.
В докладе комиссии по расследованию причин катастрофы стратостата говорилось: "Начало катастрофы должно быть отнесено к высоте, превышающей 8 км, т. к. в противном случае пилоты имели бы возможность открыть люк или хотя бы разбить стекла иллюминаторов и выбросить балласт, бутылки кислорода и другие предметы внутренней аппаратуры гондолы и пытаться спастись на парашютах". Открыть люк действительно было практически невозможно - для этого требовалось, находясь в падающей нестабильной кабине, открутить двенадцать болтов.
Последнюю попытку сделать запись в бортовой журнал экипаж сделал в 16:10. На высоте около 2 км километров порвался такелаж и оболочка отделилась от гондолы. В 16:21 гондола ударилась о землю. Андрей Васенко, Павел Федосеенко и Илья Усыскин погибли. Из доклада комиссии: "Экипаж в период снижения в течение 9,5 минут находился в беспорядочно вращающейся кабине, ударяясь о приборы, но к моменту приземления был в гондоле в вертикальном положении. Смерть наступила от удара. <...> Отсутствие на участниках команды парашютов, закрытый люк и ряд других фактов указывают, что несчастье произошло для команды внезапно и застигло ее врасплох. Катастрофа произошла так молниеносно и неожиданно, что команда не успела сделать самого элементарного".
Урны с прахом героев захоронили в Кремлёвской стене лично Ворошилов, Сталин и Молотов. Все члены экипажа "Осоавиахима-1" были награждены орденом Ленина, впервые в Советском Союзе - посмертно.