13 marca 1961 rozpoczął 10-dniowy test w komorze wypełnionej tlenem, która miała symulować warunki panujące wewnątrz statku kosmicznego. Podczas kończenia eksperymentu 23 marca 1961 Bondarienko w wyniku nieuwagi wypuścił nasączony spirytusem wacik na rozgrzaną płytę kuchenki elektrycznej, na której przyrządzał posiłki. Wybuchł pożar, który momentalnie objął wnętrze symulatora. Z uwagi na różnice ciśnień nie można było natychmiast otworzyć komory. Bondarienkę wydobyto żywego, jednak cała powierzchnia jego ciała była poparzona. Zmarł w szpitalu osiem godzin później. 16 kwietnia 1961 minister obrony ZSRR podpisał rozporządzenie, które miało zapewnić opiekę rodzinie Bondarienki, taką jak dla rodzin kosmonautów. Sprawę przez długi czas utrzymywano w tajemnicy ze względów propagandowych. Po raz pierwszy o tym zdarzeniu napisał dopiero w 1986 Jarosław Gołowanow w gazecie „Izwiestija”.
Odznaczony (pośmiertnie) Orderem Czerwonej Gwiazdy.