تختی در ۱۷ دی ۱۳۴۶ در اتاق‌اش در هتل آتلانتیک تهران درگذشت. او دو روز پیش از مرگ‌اش یعنی ۱۵ دی، وصیت‌نامه اش را در دفترخانه اسناد رسمی شماره ۲۰۲ تحت شمارهٔ ۳۴۲۸ و با تعیین کاظم حسیبی به عنوان سرپرست فرزندش بابک (که تنها ۴ ماه داشت)؛ به ثبت رسانده بود. همواره دربارهٔ دلایل مرگ او، اختلاف نظرهای زیادی وجود داشته‌است.

خودکشی یا قتل؟

براساس اخبار منتشره در روزنامه‌های اطلاعات و کیهان ۱۸ دی ۱۳۴۶ غلامرضا تختی به خاطر وجود اختلافات خانوادگی با همسرش شهلا توکلی خودکشی کرده‌است.از انگیزه‌های ممکن برای خودکشی، مواردی چون ناکامی‌هایش در مسابقات در پایان عمر ورزشی تختی نام برده می‌شود. با این حال عده‌ای از دانشوران مرگ وی را مشکوک می‌دانند. این عقیده که ساواک او را به دلیل محبوبیت زیاد و عدم وفاداری به نظام وقت ایران به قتل رسانده‌است، در بین مردم وجود داشته‌است.

علی شاه‌محمدی کارگردان مستند «شهسوار» دربارهٔ زندگی تختی، در این‌باره می‌گوید: «در این فیلم هم به صورت مستند و هم به صورت دراماتیک به زندگی تختی پرداخته‌ام و سؤال اصلی فیلم بر این محور است که تختی خودکشی کرد یا کشته شد؟ در پاسخ به این پرسش، برخی افراد در این فیلم با دلایل متقن و موجه می‌گویند که تختی خودکشی کرده و برخی هم با دلایل متقن و موجه دیگری می‌گویند که تختی به قتل رسیده‌است. هیچ رجحانی میان این افراد و دلایلی که برای نظرشان ذکر می‌کنند در مستند وجود ندارد و قضاوت در این باره را به عهدهٔ خود مخاطب گذاشته‌ایم، به این دلیل که خود ما هم از این دلایل قانع نشده‌ایم.»

تنش با حکومت پهلوی و ناکامی‌ها

غلامرضا تختی از سال ۱۳۴۲ بارها به ساواک احضار شد. اطرافیان شاه با ناکامی از نزدیک کردن او به دربار و حکومت، فشارها را بر تختی افزایش دادند. حتی در مواردی تختی از ورود به ورزشگاه‌ها منع می‌شد. او پس از دوری دوساله از رقابت‌های ورزشی برای چهارمین‌بار در بازی‌های المپیک شرکت کرد و برای نخستین بار در این بازی‌ها مدالی کسب نکرد. میرزایی با استناد به اسناد به جا مانده بیان می‌کند که گویا حکومت میل داشت تختی بدون تمرین و آمادگی جسمی و روحی در میدان حاضر شود و با شکست‌خوردن، محبوبیت‌اش در میان مردم را از دست بدهد. از سوی دیگر مردم نیز خواهان شرکت او در مسابقات جهانی بودند.

فرضیه قتل توسط ساواک

در چنین شرایطی تختی در سال ۱۳۴۵ هم در بازی‌های جهانی شرکت کرد و بار دیگر دست خالی به ایران بازگشت. جلال آل‌احمد دربارهٔ مرگ او چنین نوشت: «از آن همه جماعت هیچ‌کس، حتی برای یک لحظه، به احتمال خودکشی فکر نمی‌کرد»

در فروردین ۱۳۹۸، علیرضا زاکانی نمایندهٔ پیشین مردم تهران در مجلس شورای اسلامی، خودکشی تختی را شایعه خواند و گفت تختی را به «شهادت» رسانده‌اند. وی گفت: «من شنیدم که عزیزی این‌جا گفته‌بود که مرحوم تختی خودکشی کرده‌است. من از پدرم که هم از نزدیک مرحوم تختی را می‌شناختند و هم در مراسم تشییع و در غسال‌خانه می‌گفت که ایشان را شهید کردند. پدرم پس از انقلاب نزدیک به سه دهه مسئول برگزارکنندهٔ مراسم مرحوم تختی بود. من این را از پدرم می‌گویم که در این حرکت بوده‌است.»