El martes 30 de mayo de 1961, a las 9:45PM, en el kilómetro 9 de la Carretera Santo Domingo – San Cristóbal, el auto en el que viajaba Trujillo fue ametrallado en una emboscada urdida por Modesto Díaz, Salvador Estrella Sadhalá, Antonio de la Maza, Teniente Amado García Guerrero, Manuel «Tunti» Cáceres Michel, Juan Tomás Díaz, Roberto Pastoriza, Luis Amiama Tió, General Antonio Imbert Barrera, Pedro Livio Cedeño y Huáscar Tejeda.
El vehículo recibió más de 60 impactos de bala de diversos calibres, de los cuales siete impactaron el cuerpo del dictador causándole la muerte. Su chófer, Zacarías de la Cruz, recibió varios impactos, pero no perdió la vida, aunque fue dado por muerto por los ajusticiadores.
La familia de Trujillo trató de huir con el cuerpo del dictador en su yate «Angelita», pero no fue posible. Su funeral, realizado el 2 de junio del mismo año, fue el de todo un estadista y una larga procesión lo acompañó desde el Palacio Nacional hasta la localidad de San Cristóbal, donde fue enterrado.
El entonces presidente Joaquín Balaguer dio el discurso laudatorio, diciendo, entre otras cosas:
«El momento es pues propicio para que juremos sobre estas reliquias amadas que defenderemos su memoria y que seremos fieles a sus consignas manteniendo la unidad. Querido jefe, hasta luego. Tus hijos espirituales, veteranos de las campañas que libraste durante más de 30 años, miraremos hacia tu sepulcro como un símbolo enhiesto y no omitiremos medios para impedir que se extinga la llama que tú encendiste en los altares de la República y en el alma de todos los dominicanos».
Después de esto, ante la presión popular, la familia Trujillo salió del país y Ramfis Trujillo tuvo que sacar el cuerpo de su padre. Trujillo fue enterrado en París, en el Cementerio del Père-Lachaise, a petición de sus familiares.
En 2009 se generó una controversia en la República Dominicana. En ocasión del 48º aniversario de su muerte, se planteó el traslado de los restos de Trujillo a la República Dominicana, para ser enterrados junto a los héroes nacionales. Esta idea generó rechazo de algunos escritores.
Actualmente los restos de Trujillo se encuentran en el Cementerio de Mingorrubio de la pequeña comunidad de El Pardo, a 25 minutos de Madrid en España, enterrado en un panteón junto a su familia.
