Ngày 19 tháng 4 năm 1965, ông cùng đồng đội thực hiện phi vụ phối hợp với lực lượng không quân Mỹ đánh phá trục giao thông cách Vinh 10 cây số về phía nam. Sau khi hoàn tất phi vụ trên đường trở về, lúc đó là 15 giờ 04 phút, phi đội của ông đã đụng phải lực lượng phòng không của đối phương. Một phi cơ trúng đạn phía đuôi thiệt hại nhẹ, riêng phi cơ của ông bị trúng đạn bốc cháy và rơi ngay trên vùng trời Hà Tĩnh. Ông tử trận, hưởng dương 30 tuổi.

Lễ truy điệu cho ông được Bộ Tư lệnh Không quân và Bộ Tư lệnh Không đoàn 23 Chiến thuật đã tổ chức. Thiếu tướng Nguyễn Cao Kỳ, Chủ tịch Ủy ban Hành pháp Trung ương (Thủ tướng) kiêm Tư lệnh Quân chủng Không quân, thay mặt Chính phủ và Quân lực Việt Nam Cộng hòa truy thăng cho ông cấp bậc Đại tá, đồng thời truy tặng Huân chương Bảo quốc đệ ngũ đẳng kèm Anh dũng Bội tinh với nhành Dương liễu.

Di hài ông ban đầu được người dân cất táng tại địa phương. Mãi đến năm 1997, di hài ông mới được người chị ruột là bà Phạm Thị Xuân Cơ (Đông Hải), cải táng từ Hà Tĩnh đem về chôn tại khuôn viên chùa Phước Lâm ở thành phố Hội An, Quảng Nam.