Grigore Preoteasa został członkiem delegacji PMR na obchody 40. rocznicy wybuchu rewolucji październikowej w Moswie, wraz z Gheorghiu-Dejem, Chivu Stoicą, Alexandru Moghioroșem, Ștefanem Voiteciem, Ceaușescu i Răutu. Zmarł nagle na lotnisku Wnukowo, kilka minut po tym, jak wiozący rumuńską delegację samolot linii Aerofłot uderzył w ziemię za końcem pasa i stanął w płomieniach. Według świadków Proteasa w chwili wypadku był jedynym pasażerem stojącym na pokładzie samolotu; miał tłumaczyć innym, że cieszy się, że nie kazano mu zapiąć pasa bezpieczeństwa; gdy piloci stracili kontrolę nad maszyną, miał powiedzieć – prawdopodobnie w żartach – że „tego nie było w programie”. Słowa te okazały się być jego ostatnimi.
Po jego śmierci pojawiały się pogłoski, jakoby katastrofa na lotnisku Wnukowo została celowo sprowokowana w celu zabicia Preoteasy albo Gheorghiu-Deja, jako że relacje między nim a Nikitą Chruszczowem w owym czasie pogorszyły się gwałtownie. Teoriom spiskowym przeczy jednak fakt, że w katastrofie zginęła cała radziecka załoga maszyny, a Ceaușescu, Răutu i inni członkowie delegacji odnieśli poważne obrażenia. Jakakolwiek była jej przyczyna, śmierć Preoteasy ułatwiła Nicolae Ceaușescu dojście do władzy po 1964 roku.