Trong những canh giờ đầu tiên của ngày 6 tháng 2 năm 2011, Moore từ trần vì bị đau tim trong khi ngủ, hưởng thọ 58 tuổi. Lúc bấy giờ, ông đang đi nghỉ lễ cùng bạn gái của mình tại Khách sạn Kempinski ở Estepona. Cái chết của ông được người quản lý của Thin Lizzy là Adam Parsons đính chính.[74][75][76] The Daily Telegraph đưa tin rằng nguyên nhân gây nên cơn trụy tim của Moore là do nồng độ cồn cao trong cơ thể ông: 380 mg cồn trong 100 ml máu.[74] Theo nhà báo âm nhạc Mick Wall, Moore đã mắc chứng nghiện rượu nặng trong năm cuối đời.[64]

Moore được chôn cất tại nghĩa trang tư nhân ở Nhà thờ St Margaret, Rottingdean, trên bờ biển miền nam nước Anh, chỉ có gia đình và bạn bè thân thiết tới tham dự đám tang. Cậu con trai út Jack và người chú Cliff đã thể hiện bản ballad "Danny Boy" của Ireland tại đám tang của ông. Tờ The Belfast Telegraph miêu tả màn biểu diễn ấy là "một sự tri ân hoàn hảo, khi mà một số người đưa tang trong nhà thờ đã bật khóc".[77]