Le 20 août 1980, il meurt à l'âge de 41 ans à la suite d'un infarctus du myocarde pendant ses vacances à Papeete, Tahiti. Il déjeunait avec sa famille et des amis dans le restaurant chez Michel et Éliane lorsque soudainement, à 12 h 30, il est pris d'un malaise et s'effondre sur sa chaise. Malgré un massage cardiaque et un essai de réanimation, le médecin ne peut que constater son décès. En effet, la seule ambulance de Papeete était indisponible et ce n'est qu'environ 40 minutes après l'attaque cardiaque que celle-ci arriva. Le cœur de Joe Dassin battait encore un peu à l'hôpital, mais de façon très aléatoire, et s'arrêta finalement. Son monument funéraire est à l'Hollywood Forever Cemetery, cimetière d'Hollywood à Los Angeles, Californie.