Nhưng số phận thật nghiệt ngã. Trên đường từ Thăng Long về đến làng Kiêu Kỵ, ông đã bị một nhóm đạo sĩ mai phục bất ngờ nhảy ra chém chết tại quán Ninh Kiều ngày 27 – 8 (âm lịch) năm Thiệu Phong thứ nhất (1341). Nguồn gốc sâu xa của sự ám hại này là do “Nguyễn Chế Nghĩa là một trong ba người không tán thành lập Trần Dụ Tông lên ngôi vua. Khi Dụ Tông yên vị đã ngầm sai giết Nguyễn Chế Nghĩa ở quán Ninh Kiều, Kiêu Kỵ, Gia Lâm”. Tuy nhiên, triều đình vẫn hạ chiếu đưa ông về an táng tại quê nhà ở Cối Xuyên và tổ chức lễ tang cấp vương giả, truy phong thần hiệu An Nghĩa đại vương và sắc phong làm thành hoàng làng Hội Xuyên (làng Cuối). Đây có lẽ là lý do khiến võ tướng Nguyễn Chế Nghĩa có nhiều công lao trong kháng chiến chống Nguyên Mông, được phong làm Khống Bắc tướng quân, từng làm phò mã, được phong tước công, từng giữ chức đô uý và thái uý, đã không có chỗ đứng trong”chính sử”.

Công tích của Nguyễn Chế Nghĩa vẫn được ghi nhận tại nhiều văn bản quan trọng như “Trần triều thế phả hành trạng”, “Hội xuyên xã thần tích” (tức sự tích đức Thành Hoàng làng xã Hội Xuyên), hiện lưu giữ tại Viện Hán Nôm.

Nguyễn Chế Nghĩa còn được nhân dân nhiều địa phương thờ phụng, từ Kiêu Kỵ, Gia Lâm (Hà Nội) đến làng Cuối (Gia Lộc) có hơn 80 nơi thờ cúng. Đó là những địa phương ông từng đóng quân và đánh giặc lúc sinh thời, những nơi thi hài ông đi qua trên đường từ Kiêu Kỵ, Gia Lâm về Cối Xuyên (Gia Lộc).