24 grudnia 1971 Koepcke podróżowała ze swoją 17-letnią córką, Juliane Koepcke z Limy do Pucallpa, aby dołączyć do męża podczas świąt. Samolot napotkał silną burzę, został rażony piorunem i rozpadł się około 2 mil (3,2 km) nad lasem amazońskim. Maria i Juliane Koepcke siedziały na fotelach obok siebie, jednak rozdzieliły się podczas spadania (Juliane pozostawała przypięta do ułożonych w rząd siedzeń). Juliane Koepcke była jedyną z 92 osób, która przeżyła. Miała złamany obojczyk i zranione oko, jednak po około 10 dniach dotarła do prowizorycznego obozowiska drwali i 3 stycznia 1972 została ocalona. Według Juliany Koepcke, po powrocie do ojca przez kilka kolejnych dni wyczekiwali informacji o matce; ciało Marii Koepcke odnaleziono 12 stycznia. Ze względu na odniesione obrażenia straciła możliwość poruszania się, jednak nie zmarła od razu, a kilka dni po katastrofie.
Upamiętnienie Koepcke została upamiętniona w nazwach naukowych: syczoń andyjski, Megascops koepckeae pustelnik peruwiański, Phaethornis koepckeae kacykowiec żółtorzytny, Cacicus koepckeae czubacz peruwiański, Pauxi koepckeae jaszczurka Microlophus koepckeorum (dopełniacz l.