Ngày 30 tháng 11 năm 2013, vào khoảng 3 giờ 30 phút chiều theo giờ PST, Walker cùng bạn là Roger Rodas, 38 tuổi, trước đó vốn là một tay đua chuyên nghiệp và là người tư vấn tài chính cho Walker[39] rời một sự kiện do tổ chức từ thiện Reach Out Worldwide của Walker tổ chức nhằm ủng hộ cho các nạn nhân của siêu bão Haiyan[40][41] trên chiếc xe Porsche Carrera GT đời 2005 màu đỏ của Rodas. Chiếc xe đâm vào một cột đèn đường và một cái cây trên phố Hercules, một khu vực giới hạn tốc độ 45 dặm/giờ (khoảng 72 km/h) gần đại lộ Kelly Johnson ở Valencia, Santa Clarita, California. Chiếc xe bốc cháy ngay sau đó.[40][42][43][44][45] Các nhà chức trách xác định rằng khi xảy ra tai nạn, Rodas là người cầm lái, còn Walker ngồi ở ghế bên.[46] Cơ quan cảnh sát Los Angeles tuyên bố cả hai nạn nhân đều đã tử vong ngay tại hiện trường.[43][47] Rodas thiệt mạng do đa chấn thương, còn Walker tử nạn cho tác động cộng hưởng của chấn thương và bỏng, theo thông báo của Cơ quan điều tra tai nạn Los Angeles.[46]

Khúc đường cua nơi Walker và Rodas gặp nạn là một địa điểm thường dùng cho các pha ngoặt xe.[48] Báo cáo của cơ quan điều tra tai nạn cho biết chiếc Porsche Carrera GT đời 2005 có thể đã chạy với tốc độ lên tới 100 dặm Anh trên giờ (160 km/h) trước khi xảy ra tai nạn. Báo cáo của cơ quan này còn cho biết thêm quá trình khám nghiệm tử thi cho thấy cả hai người trên xe đều không có dấu hiệu sử dụng rượu hay chất kích thích nào.[49] Hơn nữa, cũng không có dấu hiệu nào cho thấy chiếc xe gặp phải lỗi kỹ thuật và mặt đường cũng không bị hư hại đến mức có thể gây ra tai nạn.[50] Cảnh sát đã tiến hành điều tra liệu có phải chiếc xe đang tham gia một cuộc đua hay không, nhưng họ không tìm thấy bằng chứng cho thấy có chiếc xe thứ hai nào liên quan đến vụ việc này.[51] Gia đình Walker cho rằng các nút phản quang trên mặt đường có thể là nguyên nhân gây ra tai nạn, bởi dòng xe Porsche đặc biệt này có thể bị mất điều khiển nếu nó gặp phải dù là một chướng ngại vật nhỏ nhất trên mặt đường.[52] Một số mảnh vỡ của chiếc xe đã bị đánh cắp khi nó được kéo đi. Hai người đã bị bắt vì tội trộm cắp này.[53]

Do Walker qua đời giữa lúc Fast & Furious 7 đang trong quá trình quay phim, hãng Universal thông báo tạm dừng sản xuất phim vô thời hạn, bày tỏ mong muốn được nói chuyện cùng gia đình nam diễn viên trước khi quyết định sẽ làm gì với bộ phim.[54]

Em trai Cody Walker của Paul được mời tham gia đóng thế anh trong các cảnh quay còn lại.[55]

Nhiều bạn bè và các ngôi sao điện ảnh đã thể hiện sự tiếc thương Walker trên các phương tiện truyền thông xã hội.[56] Hai tuần sau cái chết của anh, tro của Walker đã được an táng tại một buổi lễ không theo nghi thức tôn giáo tại Công viên tưởng niệm Forest Lawn.[57]