Wheldon qua đời trong một tai nạn đua xe kinh hoàng tại chặng đua cuối cùng của năm 2011 ở Las Vegas Motor Speedway, ngày 16 tháng 10.[4]

Sau khi không thể có được chức vô địch mùa giải, Dan quyết định xuất phát ở vị trí cuối cùng, để hi vọng giành được giải thưởng trị giá 5 triệu USD từ IndyCar cho tay đua vô địch dù xuất phát ở vị trí chót. Wheldon đã leo lên 10 bậc trong 12 vòng cho đến trước khi xảy ra tai nạn. Có tất cả 34 xe tham dự chặng đua.

Tai nạn xảy ra ở góc cua thứ hai của vòng 12, nơi các tay đua đang chạy với vận tốc trên 300 km/h. Chiếc Dallara-Honda của Wheldon đã bắn lên cao rồi phát nổ khi va đập mạnh vào hàng rào. Wheldon đã nhanh chóng được đưa đến bệnh viện bằng máy bay và 20 bác sĩ chung tay chiến đấu, nhưng sinh mạng cho ngôi sao 33 tuổi không thể được bảo toàn. Anh chết khoảng hai tiếng sau khi gặp tai nạn.[5]

Đây là tai nạn chết người đầu tiên trên đường đua trong 40 năm lịch sử của IndyCar. Trước đó từng xảy ra vụ Paul Dana tử nạn trong buổi chạy thử cho chặng mở màn Toyota Indy 300 ở đường đua Homestead Miami Speedway năm 2006.

Sau khi tai nạn xảy ra, chặng đua đã bị hủy bỏ. Ban tổ chức cho các tay đua còn lại chạy năm vòng để tưởng niệm Wheldon. Duy nhất số xe 77 của tay đua xấu số xuất hiện trên bảng điểm [6].