Mitchum døde den 1. juli 1997, i Santa Barbara i California, på grunn av komplikasjoner av lungekreft og emfysem. Han etterlot seg sin kone, Dorothy Mitchum, og sønnene James Mitchum og Christopher Mitchum, som også var skuespillere, og datteren Petrina Mitchum. Hans barnebarn, Bentley Mitchum og Carrie Mitchum, er også skuespillere, i likhet med hans yngre bror John Mitchum, som døde i 2001. Hans andre barnebarn, Kian Mitchum, er en vellykket modell.