El día lunes 24 de marzo de 1980 fue asesinado cuando oficiaba una misa en la capilla del hospital de La Divina Providencia en la colonia Miramonte de San Salvador. Un disparo hecho por un francotirador impactó en su corazón, momentos antes de la Sagrada Consagración. Al ser asesinado, tenía 62 años de edad. Sus restos mortales descansan en la cripta de la Catedral Metropolitana de San Salvador. En 1993 la Comisión de la Verdad, organismo creado por los Acuerdos de Paz de Chapultepec para investigar los crímenes más graves cometidos en la guerra civil salvadoreña, concluyó que el asesinato de Monseñor Óscar Romero había sido ejecutado por un escuadrón de la muerte formado por civiles y militares de ultraderecha y dirigidos por el mayor Roberto d'Aubuisson, y el capitán Álvaro Saravia, el cual, años más tarde confesó en una entrevista periodística su participación junto con importantes miembros empresariales del país, señalando a Mario Ernesto Molina Contreras, hijo del ex-presidente Arturo Armando Molina y a Roberto d'Aubuisson entre otros. D'Aubuisson, que murió en 1992 como consecuencia de un cáncer, siempre rechazó su vinculación al hecho.En 2004, una corte de los Estados Unidos declaró civilmente responsable del crimen al capitán Saravia, único de los involucrados aún con vida.