بهرنگی در شهریور ۱۳۴۷در رود ارس و در ساحل روستای شام‌گوالیک غرق شد و جسدش را چند روز بعد در ۱۲ شهریور در نزدیکی پاسگاه کلاله در چند کیلومتری محل غرق شدنش از آب گرفتند. جنازهٔ او در گورستان امامیهٔ تبریز دفن شده‌است.

نظریات متعدد و مختلفی دربارهٔ مرگ بهرنگی وجود دارد. از روزهای اول پس از مرگ او، در علل مرگ او هم در رسانه‌ها و هم به شکل شایعه بحث‌هایی وجود داشته‌است. یک نظریه این است که وی به دستورِ یا به دستِ عوامل دولت پادشاهی پهلوی کشته شده‌است. نظریهٔ دیگر این است که وی به علت بلد نبودن شنا در ارس غرق شده‌است.

تنها کسی که معلوم شده‌است در زمان مرگ یا نزدیک به آن زمان، همراه بهرنگی بوده‌است شخصی به نام حمزه فراهتی است که بهرنگی همراه او به سفری که از آن باز نگشت رفته بود. اسد بهرنگی، که گفته‌است فراهتی را دو ماه بعد در خانهٔ بهروز دولت‌آبادی دیده‌است، از قول او گفته‌است : «من این طرف بودم و صمد آن طرف‌تر. یک دفعه دیدم کمک می‌خواهد. هر چه کردم نتوانستم کاری بکنم.»

سیروس طاهباز دراین‌باره می‌نویسد : «بهرنگی [...] خواسته بود تنی به آب

بزند و چون شنا بلد نبود، غرق شده بود. جلال آل‌احمد مرگ بهرنگی را مشکوک تلقی کرد. اما حرف بهروز دولت‌آبادی برایم حجّت بود که مرگ او را طبیعی گفت و در اثر شنا بلدنبودن. » اسد بهرنگی شنا بلد نبودن صمد را تأیید می‌کند ولی دربارهٔ نظر طاهباز و دیگران می‌گوید«همه از دهان بهروز دولت‌آبادی حرف زده‌اند نه این که واقعاً تحقیقی صورت گرفته باشد تابه حال برخورد تحقیقی دربارهٔ مرگ صمد نشده‌است.»


طرفداران به قتل رسیدن صمد ادعا میکنند که در ماه شهریور رود ارس کم‌آب  است و در نتیجه احتمال غرق شدن سهوی وی را کم میمانند. اسد بهرنگی کم‌آب بودن محل غرق شدن صمد را تأیید می‌کند و دراین‌باره می‌گوید «البته بعضی جاها ممکن است پر آب شود. [...] هیچ‌کس نمی‌آید در محلی که جریان آب تند است آب‌تنی یا شنا کند، چه برسد به صمد که شنا هم بلد نبود.» با این وجود تأکید می‌کند : «البته هیچ‌کس ادعا نمی‌کند که فراهتی مأمور ساواک بود یا مأمور کشتن صمد.»
جزئیات متناقض دیگری نیز دربارهٔ مرگ بهرنگی روایت شده‌است. از جمله اسد بهرنگی گفته‌است : «جسد [...] صورت و بدنش سالم بود. دو سه تا
جای زخم، طرف ران و ساقش بود، چیزی شبیه فرورفتگی. رئیس پاسگاه در صورت‌جلسه‌اش، به جای زخم‌ها اشاره کرد. بعدها البته توی پاسگاه دیگری این صورتجلسه عوض شد». اسد بهرنگی به همین تناقضات به شکل دیگری اشاره کرده‌است، از جمله این که گفته‌است فرج سرکوهی در جایی نوشته‌ است که فراهتی گروهی را که به دنبال جسد صمد می‌گشته‌اند (و به گفتهٔ اسد بهرنگی شامل اسد بهرنگی، کاظم سعادتی، و دو نفر از شوهرخواهر های بهرنگی بوده‌است) همراهی می‌کرده‌ ، در حالی که چنین نبوده‌است.


جلال آل‌احمد شش ماه بعد از مرگ صمد در نامه‌ای به منصور اوجی شاعر شیرازی می‌نویسد «...اما در باب صمد. درین تردیدی نیست که غرق شده. اما چون همه دلمان می‌خواست قصه بسازیم ساختیم...خب ساختیم دیگر آن مقاله را من به همین قصد نوشتم که مثلاً تکنیک آن افسانه سازی را  روشن کنم برای خودم. حیف که سرودستش شکسته ماند و هدایت کننده نبود به آن چه مرحوم نویسنده اش می‌خواست بگوید...»


برادر صمد بهرنگی (اسد بهرنگی) در این باره می‌گویذ:همه می‌دانند که ویژه نامه آرش چند ماهی پس از مرگ صمد بهرنگی منتشر شد و آن موقع هم دوستان نزدیک صمد بر مرگ او مشکوک بودند. با اطلاعاتی که از جریانات تابستان ۴۷ داشتند کشته شدن صمد را وسیله عمله‌های رژیم که شاید ساواک هم مستقیما درآن دست نداشته باشد دور از انتظار نمی‌دانستند. اسد بهرنگی در قسمت دیگری از این کتاب می‌گوید:«در زمانی که ما در کنار ارس دنبال صمد می‌گشتیم و صمد راداد می‌زدیم مامورین ساواک به خانه صمد آمده وهمه چیز را به هم ریخته بودند.میز تحریر مخصوص او را شکسته بودند و نامه‌ها و یادداشت‌هایش را زیر و رو کرده و اهل خانه را مورد باز جویی قرار داده بودند، و چند کتاب و یادداشت برداشته و برده بودند و خوشبختانه کتابخانهٔ اصلی صمد را که در آن طرف حیاط بود ندیده بودند.»حمزه فراهتی در کتاب خود اظهار می‌کند که «صمد بهرنگی شهید ساختگی شد» و قتل او کار ساواک نبوده‌است.