Однако сильный порыв ветра наполнил паруса, и «Ваза» начал крениться на подветренную сторону, но затем выровнялся и смог пройти до острова Бекхольмен — у входа в стокгольмскую гавань. Всего в ста метрах от этого острова налетел новый порыв ветра, и корабль стал крениться значительно сильнее. Вода хлынула через открытые пушечные порты, «Ваза» лег на борт и затонул — с поднятыми парусами и развевающимися флагами.
Очень быстро на помощь прибыли матросы на парусных и гребных лодках и успели спасти уцелевших людей. Однако, по разным источникам, все же погибли 50—400 человек.
О причинах гибели корабля выдвигались разные версии. Говорили о том, что капитан был пьян, пушки ненадежно закреплены… Но в конце концов пришли к выводу, что были допущены ошибки при проектировании. «Ваза» имел слишком высоко расположенный центр тяжести и был слишком узок, хотя судостроители, тайно от короля, все-таки увеличили его ширину на два с половиной метра; его подводная часть по отношению к корпусу, рангоуту и артиллерии имела слишком малый вес. Это привело к неустойчивости. Однако виновных все же не нашлось: фактический строитель корабля Хенрик Хюбертссон умер за год до катастрофы, а проект и количество пушек на корабле утверждал лично король Густав II Адольф.
В течение нескольких лет «Вазу» пытались поднять на поверхность — шестьдесят четыре бронзовые пушки, затонувшие вместе с ним, оставлять на дне никому не хотелось. Как только не пытались вытащить корабль… Например, волокли по дну на Бекхольмен (в середине XX века, когда «Ваза» был наконец поднят на поверхность, возле острова было обнаружено свыше двух десятков якорей, которыми цепляли корабль). Кроме того, снаряжали экспедицию водолазов, оснащенную водолазным колоколом. Чтобы поднять на поверхность только лишь одну пушку, водолаз должен был на дне, в полной темноте и холоде, в одиночку, используя только крюк и молот, снять весившее почти тонну орудие с лафета, вытащить его через пушечный порт и поднять на поверхность. Тем не менее водолазы Трейлебена справились с этой сложнейшей работой — в течение 1664–1665 годов с «Вазы» было поднято пятьдесят три пушки. Еще одну подняли в 1683 году. Заметим, что в середине XX века водолазу с современным оборудованием для подводных работ и осветительными приборами для подъема на поверхность одной пушки требовался целый день.
Корабль был забыт, пропали и данные о его местоположении. В середине XX века историей «Вазы» заинтересовался 38-летний инженер Андерс Франсен, один из крупнейших шведских специалистов по военно-морской истории XVII–XVIII веков. Франсен был уверен, что корабль хорошо сохранился: этому должны были способствовать специфические условия Балтийского моря: из-за низкой солености воды в нем не водятся корабельные черви, в более соленых морях съедающие все дерево. В течение длительного времени Франсен изучал старые карты и архивные данные, после чего, определив приблизительное положение корабля, начал поиски непосредственно в акватории Стокгольма. В распоряжении Франсена была лодка, якорь-кошка и сконструированный им лот-пробоотборник. Исследования заняли более пяти лет, из которых последние два с половиной года ушли на методичное траление гавани Стокгольма. 25 августа 1956 года поиски наконец дали результат. Сброшенный на дно лот Франсена воткнулся во что-то твердое. Когда лот был поднят, стало видно, что в его трубке застрял кусок почерневшего дуба. Через несколько дней водолаз Пер Эдвин Фельтинг спустился в этом месте на дно. На глубине около 32 метров он обнаружил хорошо сохранившийся деревянный борт корабля, на котором имелось два ряда пушечных портов. Таким образом, находка была подтверждена.
