هواپیما پس از انجام دادن مأموریت، به هنگام بازگشت، در آسمان خطوط مرزی، هدف گلولههای تیربار ضد هوایی قرار گرفت و عباس بابایی از ناحیه سر مجروح شد و بلافاصله به شهادت رسید.
یکی از راویان مرکز مطالعات و تحقیقات جنگ درباره این واقعه نوشته است: به دنبال اصابت گلوله به هواپیمای تیمسار بابایی و اختلالی که در ارتباط هواپیما و پایگاه تبریز به وجود آمد، پایگاه مزبور به رابط هوایی سپاه اعلام کرد که یک فروند هواپیمای خودی در منطقه مرزی سقوط کرد برای کمک به یافتن خلبان و لاشه آن هر چه سریعتر اقدام نمایید. مدت کوتاهی از اعلام این موضوع نگذشته بود که فرد مذکور مجدداً تماس گرفت و در حالی که گریه امانش نمیداد گفت: هواپیمای مورد نظر توسط خلبان به زمین نشست، ولی یک از سرنشینان آن به علت اصابت تیر در داخل کابین به شهادت رسیده است.
برخی از فرماندهان ارشد سپاه در جلسهای مشغول بررسی عملیات بودند که تلفنی خبر شهادت عباس بابایی به اطلاع برادر رحیم رسید. با شنیدن این خبر، جلسه تعطیل شد و اشک در چشمان حاضرین به خصوص آنان که آشنایی بیشتری با شهید بابایی داشتند، حلقه زد.
وی هنگام شهادت 37 سال داشت و اسوه ای بود که از کودکی تا واپسین لحظات عمر گرانقدرش همواره با فداکاری و ایثار زندگی کرد و سرانجام نیز به آرزوی بزرگ خود که شهادت بود، دست یافت و نام پرآوازه اش درتاریخ پرافتخار کشور جمهوری اسلامی ایران جاودانه شد.