بهرنگی در شهریور ۱۳۴۷ در رود ارس و در ساحل روستای شام‌گوالیک غرق شد و جسدش را چند روز بعد در ۱۲ شهریور در نزدیکی پاسگاه کلاله در چند کیلومتری محل غرق شدنش از آب گرفتند. جنازهٔ او در گورستان امامیهٔ تبریز دفن شده‌است.

تنها کسی که معلوم شده‌است در زمان مرگ یا نزدیک به آن زمان، همراه بهرنگی بوده‌است شخصی به نام حمزه فراهتی است که بهرنگی همراه او به سفری که از آن باز نگشت رفته بود. اسد بهرنگی، که گفته‌است فراهتی را دو ماه بعد در خانهٔ بهروز دولت‌آبادی دیده‌است، از قول او گفته‌است : «من این طرف بودم و صمد آن طرف‌تر. یک دفعه دیدم کمک می‌خواهد. هر چه کردم نتوانستم کاری بکنم.»

نظریات متعدد و مختلفی دربارهٔ مرگ بهرنگی وجود دارد. از روزهای اول پس از مرگ او، در علل مرگ او هم در رسانه‌ها و هم به شکل شایعه بحث‌هایی وجود داشته‌است. یک نظریه این است که وی به دستورِ یا به دستِ عوامل دولت پادشاهی پهلوی کشته شده‌است. نظریهٔ دیگر این است که وی به علت بلد نبودن شنا در ارس غرق شده‌است.
طرف‌داران به قتل رسیدن صمد ادعا می‌کنند که در ماه شهریور رود ارس کم‌آب است و در نتیجه احتمال غرق شدن سهوی وی را کم می‌مانند. اسد بهرنگی کم‌آب بودن محل غرق شدن صمد را تأیید می‌کند و دراین‌باره می‌گوید  «البته بعضی جاها ممکن است پر آب شود.  هیچ‌کس نمی‌آید در محلی که جریان آب تند است آب‌تنی یا شنا کند، چه برسد به صمد که شنا هم بلد نبود.» با این وجود تأکید می‌کند : «البته هیچ‌کس ادعا نمی‌کند که فراهتی مأمور ساواک بود یا مأمور کشتن صمد.»

جزئیات متناقض دیگری نیز دربارهٔ مرگ بهرنگی روایت شده‌است. از جمله اسد بهرنگی گفته‌است : «جسد صورت و بدنش سالم بود.  دو سه تا جای زخم، طرف ران و ساقش بود، چیزی شبیه فرورفتگی. رئیس پاسگاه در صورت‌جلسه‌اش، به جای زخم‌ها اشاره کرد. بعدها البته توی پاسگاه دیگری، این صورت‌جلسه عوض شد». در همان جا ، اسد بهرنگی به همین تناقضات به شکل دیگری اشاره کرده‌است، از جمله این که گفته‌است فرج سرکوهی در جایی نوشته‌است که فراهتی گروهی را که به دنبال جسد صمد می‌گشته‌اند (و به گفتهٔ اسد بهرنگی شامل اسد بهرنگی، کاظم سعادتی، و دو نفر از شوهرخواهرهای بهرنگی بوده‌است) همراهی می‌کرده‌است، در حالی که چنین نبوده‌است.

اسد بهرنگی  می گوید: در زماني كه ما در كنار ارس دنبال صمد مي گشتيم و صمد راداد مي زديم مامورين ساواك به حانه صمد آمده و همه چيز را به هم ريخته بودند. ميز تحرير مخصوص او را شكسته بودند و نامه ها و يادداشت هايش را زير و رو كرده بودند. و اهل خانه را مورد باز جويي قرار داده بودند.و چند كتاب و يادداشت هم برداشته و برده بودند و خوشبختانه كتابخانه اصلي صمد را كه در آن طرف حياط بود نديده بودند.