Śmierć Olof Palme został śmiertelnie postrzelony 28 lutego 1986 w centrum Sztokholmu o godzinie 23:21. Premier bez agentów ochrony wracał wówczas w towarzystwie żony Lisbeth do domu po projekcji filmu Bracia Mozart w kinie „Grand” przy ulicy Sveavägen. Sprawca oddał dwa strzały z bardzo bliskiej odległości w plecy polityka, lekko poszkodowana została też Lisbeth Palme. Olof Palme został przewieziony do nieodległego szpitala Sabbatsbergs sjukhus. 1 marca 1986 o godzinie 00:06 oficjalnie stwierdzono jego zgon. Żałobę narodową po jego śmierci ogłoszono również m.in. w takich państwach jak Kuba, Nikaragua, Portugalia, Argentyna czy Indie. W uroczystościach pogrzebowych w tym samym miesiącu wzięli udział m.in. premier Indii Rajiv Gandhi, prezydent Francji François Mitterrand, przywódca NRD Erich Honecker, premier Izraela Szimon Peres, premier Włoch Bettino Craxi, prezydent Nikaragui Daniel Ortega, kanclerz RFN Helmut Kohl, premier ZSRR Nikołaj Ryżkow i sekretarz stanu USA George Shultz. Olof Palme został pochowany na cmentarzu przy kościele Adolfa Fryderyka w Sztokholmie.