Ngày 24 tháng 12 năm 1945, Duy Tân lấy phi cơ Lockheed C-60 của Pháp cất cánh từ Bourget, Paris để trở về La Réunion thăm gia đình trước khi thi hành sứ mạng mới. Lúc 13 giờ 50, phi cơ rời Fort Lami để bay đến Bangui, trạm kế tiếp. Ngày 26 tháng 12 năm 1945, khoảng 18 giờ 30 GMT, máy bay rớt gần làng Bassako, thuộc phân khu M'Baiki, Cộng hòa Trung Phi. Tất cả phi hành đoàn đều thiệt mạng, gồm có một thiếu tá hoa tiêu, hai trung úy phụ tá, hai quân nhân (trong đó có cựu hoàng Vĩnh San) và bốn thường dân.

Theo nhiều người thì đây có thể là một vụ mưu sát. Việc vua Duy Tân trở lại Việt Nam sẽ gây khó khăn cho Anh trong việc trao trả các thuộc địa. Cũng trong Destin tragique d’un Empereur d’Annam, E.P Thébault viết:

Ngày 17 tháng 12 năm 1945 – mười hôm trước khi tử nạn – Duy Tân có linh cảm tính mạng ông bị đe dọa. Khi cả hai đi ngang – lần chót – vườn Tuileries, cựu hoàng nắm tay Thébault nói: "Anh bạn già Thébault của tôi ơi! Có cái gì báo với tôi rằng tôi sẽ không trị vì. Anh biết không, nước Anh chống lại việc tôi trở về Việt Nam. Họ đề nghị tặng tôi 30 triệu quan nếu tôi bỏ ý định ấy.

Ngày 28 tháng 3 năm 1987, hài cốt của vua Duy Tân được gia đình đưa từ M'Baiki, Trung Phi về Paris làm lễ cầu siêu tại Viện Quốc tế Phật học Vincennes và sau đó đưa về an táng tại An Lăng, Huế, cạnh nơi an nghỉ của vua cha Thành Thái, vào ngày 6 tháng 4 năm 1987.

Sau Cách mạng tháng Tám, có phố Duy Tân ở Hà Nội, nhưng sau đổi lại. Một nhóm chính trị ít nhiều có khuynh hướng dân chủ xã hội theo Duy Tân. Bên cách mạng lúc đó xem ông là người từng có lập trường yêu nước nhưng rồi làm việc cho Pháp.