W 1962 roku, podczas podróży z Moskwy do Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej, w samochód Landaua uderzyła ciężarówka. Wskutek licznych złamań, krwotoków oraz urazów głowy zapadł w niemal dwumiesięczną śpiączkę, po powrocie świadomości zaprzestał czynnej kariery naukowej. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 1962, pełną i niepodzieloną, uzyskaną dzięki nominacji Wernera Heisenberga, wręczył mu ambasador Szwecji w ZSRR w towarzystwie jego żony, przewodniczącego Akademii Nauk ZSRR Mstisława Kiełdysza oraz akademików radzieckich, m.in. Piotra Kapicy, Igora Tamma i Nikołaja Siemionowa. Nie wygłosił wykładu noblowskiego, podczas uroczystego bankietu w Sztokholmie w jego imieniu głos zabrał ambasador ZSRR w Szwecji. Lew Landau zmarł kilka dni po operacji przeprowadzonej w celu usunięcia niedrożności jelit, z rozpoznaniem zakrzepicy żyły wrotnej, wskutek niedrożności tętnicy z powodu odłączonego skrzepu krwi. W lipcu 1990 roku, kilka miesięcy przed rozpadem ZSRR, postępowanie karne przeciwko Landauowi zostało oddalone z powodu braku corpus delicti, a tym samym został prawnie zrehabilitowany z oskarżeń NKWD.