Under et opphold i Italia ble Heyerdahl diagnostisert med hjernesvulst. Han sluttet å spise og drikke, og forberedte seg på å dø. Thor Heyerdahl døde omgitt av familien 18. april 2002. Han ble bisatt på statens bekostning i Oslo domkirke 26. april. Til stede ved bisettelsen var i tillegg til familien og nære venner blant annet kong Harald og dronning Sonja og flere representanter for det offentlige Norge. Heyerdahls urne er satt ned på familiens gods i Colla Micheri i Italia.