Gilles meninggal dunia dalam sebuah kecelakaan di kualifikasi Grand Prix Belgia 1982 di Zolder. Mobil Ferrari yang ia kendarai menabrak Jochen Mass dengan kecepatan 225 km/j. Kecelakaan itu terjadi kurang dari dua minggu setelah ia bersitegang dengan rekan setimnya Didier Pironi yang mengingkari "team order" di Grand Prix San Marino. Pada saat kematiannya, Gilles sangat populer dengan penggemar yang cukup banyak dan menjadi salah satu ikon dalam balapan F1 era tersebut. Anaknya, Jacques Villeneuve, berhasil menjadi juara dunia Formula Satu pada musim dan sampai saat ini menjadi satu-satunya pembalap Kanada yang berhasil menjadi juara dunia F1.