En 1982, son épouse Elsa le quitte pour s'installer avec Coluche en Guadeloupe. Son amie et ex-épouse Sotha, qui se prépare à partir en vacances, lui ouvre sa porte pour recueillir ses états d'âme. Alors qu'elle lui annonce qu'elle attend elle aussi un enfant, il lui répond qu'il va se suicider, soulignant sa fatigue, ses ennuis d'argent et de drogue. S'engage alors un long dialogue à l'issue duquel Sotha parvient à le raisonner, notamment en lui parlant de ses deux filles, Angèle et Lola.

Le matin du 16 juillet 1982, Dewaere participe à des essais d'Édith et Marcel tournés en vidéo légère par Claude Lelouch au bois de Boulogne. Il retrouve Évelyne Bouix qui joue le rôle d'Édith Piaf. Un événement étrange est alors relaté par l'actrice65. Alors qu'ils sont en barque au milieu d'un petit lac pour une séance photo, l'actrice se rend compte que parmi les rares visiteurs du bois, quelqu'un utilise un petit miroir pour jouer avec le reflet du soleil sur leur visage65. Déstabilisé, Dewaere dit à sa partenaire qu'il « ne faut pas faire cela parce que cela porte malheur » et il répète cette phrase sans arrêt à Évelyne Bouix. Lors de ces séances préparatoires, Dewaere exécute ce que demande Lelouch et ceux qui relatent plus tard ces instants déclarent que son visage affiche un étrange sourire. Après ces quelques prises de vues, l'acteur déjeune avec le metteur en scène. Claude Lelouch se souvient qu'au cours du repas, Dewaere s'isole quelques minutes pour téléphoner. Après le repas, il est conduit en voiture par l'acteur Charles Gérard qui doit l'accompagner jusqu'à la salle d'entraînement de boxe mais Patrick Dewaere lui annonce qu'il veut repasser chez lui d'abord. Il se rend donc à son domicile de l'impasse du Moulin-Vert ; il est alors environ 15 heures. Peu après, il met fin à ses jours en se tirant une balle dans la bouche devant le miroir de sa chambre avec une carabine .22 Long Rifle offerte par Coluche.

Vers seize heures, son employé de maison arrive et découvre, au premier étage, l'acteur couché en chien de fusil sur le sol de sa chambre. Il n'a laissé aucun mot d'explication mais l'appel téléphonique passé entre midi et 14 h l'aurait bouleversé. Selon sa fille Lola, le même jour, son père désespéré aurait vainement tenté de joindre son fournisseur de drogue. Selon Mado Maurin, le coup de téléphone émanerait d'Elsa, laquelle lui aurait annoncé qu'il « ne reverrait plus jamais sa fille ». Pour Yves Boisset, qui le rencontre huit jours avant son suicide, l'acteur subissait aussi une accumulation de problèmes : « histoires d'impôts, dettes énormes, ennuis de santé et certains aspects de sa vie privée qui lui étaient devenus insupportables ».