Согласно расписанию тренировок, Валентин Бондаренко заканчивал десятисуточное пребывание в сурдобарокамере в московском Институте медико-биологических проблем — как и других космонавтов, его испытывали одиночеством и тишиной. В конце испытания он совершил простую и непоправимую ошибку. После окончания медицинских тестов он снял с себя датчики, которые были закреплены на его теле, протер места, где были датчики, смоченной в спирте ватой и неосторожно выбросил этот кусочек ваты. Вата попала на спираль раскалённой электроплитки и мгновенно вспыхнула. В атмосфере чистого кислорода огонь быстро распространился на всю камеру. На Бондаренко загорелся шерстяной тренировочный костюм. Из-за большого перепада давления было невозможно быстро открыть сурдобарокамеру. Когда камеру открыли, Бондаренко был ещё жив.Он сказал «Не вините никого, я сам виноват».Его доставили в Боткинскую больницу, где врачи боролись за его жизнь, но безуспешно.
Через восемь часов Валентин Бондаренко скончался от ожогового шока, за 19 дней до полёта Юрия Гагарина.
Бондаренко был женат и имел сына Александра. После гибели Бондаренко его жена Анна осталась работать в Центре подготовки космонавтов, сын Александр стал военным лётчиком.
«Мы с мамой после гибели отца прожили в Звёздном ещё несколько лет и уехали к родным в Харьков, — рассказывает Александр Валентинович Бондаренко, сын космонавта. — Думали, там полегче жить. Отдали здесь двухкомнатную квартиру и получили такую же в Харькове. Помогали ли нам? Матери за отца выплачивали около ста рублей в месяц, — пока мне не стукнуло шестнадцать. Больше никто о нас не вспоминал…»
Похоронен в Харькове, где жили его родители, на 10-м городском кладбище в Липовой Роще. На обелиске высечена надпись: «Светлой памяти от друзей-лётчиков». Только в 1980-х годах появилась приписка: « — космонавтов СССР». Слухи вокруг его гибели продолжают ходить и сегодня — во многом они вызваны завесой строгой секретности.
В Советском Союзе всё связанное с космосом было строго засекречено, поэтому о гибели Валентина Бондаренко нигде не было объявлено. Первые сведения о Бондаренко и его гибели появились на западе только в 1980 году. Впервые в Советском Союзе сведения о Бондаренко и его гибели появились в статье Ярослава Голованова в газете «Известия» в 1986 году.