19 июня 2013 года, находясь на отдыхе с 13-летним сыном Майклом в Риме, около 22 часов по местному времени Гандольфини потерял сознание в ванной комнате гостиничного номера. Майкл позвал за помощью, была вызвана бригада скорой помощи, доставившая Гандольфини в госпиталь Policlinico Umberto I. Уже в машине ему были проведены реанимационные процедуры, продолжавшиеся в течение 40 минут и после прибытия в больницу. После безуспешных попыток реанимации Джеймс Гандольфини был объявлен мёртвым приблизительно в 23:20. По словам профессора Клаудио Модини, у актёра просто остановилось сердце.
21 июня было проведено вскрытие, установившее официальную причину смерти Гандольфини, — инфаркт миокарда.
22 июня актёр должен был посетить Таормину для участия в местном кинофестивале. Смерть Гандольфини вызвала широкий резонанс в мировых СМИ, а многие коллеги актёра просто не могли поверить в случившееся.