چمران دوباره در تاریخ ۳۱ خرداد ۱۳۶۰ که برای سرکشی، معرفی و توجیه فرمانده جدید محور به جای «ایرج رستمی» به منطقه جنگی دهلاویه رفته بود، در خط مقدم نبرد، بر اثر اصابت ترکش خمپاره ۶۰ دشمن از ناحیه پشت سر زخمی شد؛ مورد اصابت قرار گرفتن این فرمانده از پشت سر، از آن زمان تاکنون منشأ گمانه زنی‌های بسیار در مورد احتمال مرگ او بر اثر شلیک آتش خودی بوده‌است، هرچند برخی از همرزمان وی، چنین احتمالی را دور از ذهن دانسته‌اند. کمک‌های اوّلیه بر روی او در بیمارستان سوسنگرد انجام گرفت و آمبولانس به اهواز شتافت ولی پیکر بی‌جان او به اهواز رسید. و در همان تاریخ درگذشت آرامگاهش در بهشت زهرا قرار دارد و آدرس قبر او قطعهٔ ۲۴ ردیف: ۷۱ شماره: ۲۵ و تاریخ دفنش ۱۳۶۰/۴/۲ است.

^{زندگی چمران}

وی تحصیلات ابتدایی خود را در مدرسه انتصاریه، نزدیک پامنار، گذراند و دوران متوسطه را در دارالفنون و البرز طی کرد. به سال ۱۳۳۲ با رتبه ۱۵ در رشته الکترومکانیک دانشکده فنی دانشگاه تهران پذیرفته شد. او در تمام دوران تحصیل جزو شاگردان ممتاز بود. سپس با دریافت بورس تحصیلی به دانشگاه تگزاس ای اند ام آمریکارفت و درجه کارشناسی ارشد را در رشته مهندسی برق کسب نمود. سپس برای اخذ درجه دکتری در رشته پلاسما فیزیک به دانشگاه برکلی ایالت کالیفرنیا رفتو در آنجا نیز درخشید به گونه‌ای که پایان‌نامه او مرجع ۲ مقاله علمی در زمینه پلاسما فیزیک شد. وی در دهه ۶۰ میلادی در آزمایشگاه‌های بل و هم چنین آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا استخدام شد.

او در کنار زبان فارسی به زبان‌های عربی، ترکی، فرانسوی، انگلیسی و آلمانی مسلط بود و در کنار دانش، به هنر نیز توجه داشت.

یادبود

سید روح‌الله خمینی رهبر جمهوری اسلامی ایران او را سردار اسلام و مجاهد بیدار و متعهد راه تعالی نامید. بعد از مرگ، نام چمران به عنوان یک قهرمان بر روی بسیاری از خیابان‌ها و ساختمان‌ها در ایران و لبنان از جمله بزرگراه چمران در تهران گذاشته شد.

سال ۱۳۹۱ محسن علوی پور کتاب زندگی نامه چمران را منتشر کرد. نیک رابینسون در سال ۲۰۱۳ زندگی نامه انگلیسی چمران را در انگلستان منتشر کرد.

ابراهیم حاتمی کیا، کارگردان ایرانی، فیلمی را به نام چِ دربارهٔ مصطفی چمران ساخت که پیشنهاد آن را مهدی چمران ۱۵ سال پیش به وی داده بود. این فیلم به مقطعی از زندگی چمران یعنی دو روز و دو شب حضورش در پاوه در سال ۱۳۵۸ می‌پردازد. در این فیلم فریبرز عرب نیا نقش چمران و سعید راد نقش تیمسار فلاحی را بر عهده دارند. در مجموعه تلویزیونی سیمرغ نیز که سرگذشت دو تن از خلبانان هوانیروز یعنی احمد کشوری و علی‌اکبر شیرودی را به تصویر می‌کشد، به نقش چمران در واقعه پاوه اشاره شده‌است. در قتلگاه او در دهلاویه نیز بنای یادبودی ساخته‌اند.