Ngày 23 tháng 2 năm 1971, ông bị tử nạn phi cơ trực thăng tại Trảng Lớn, phía bắc Tây Ninh trong khi đang bay thị sát chiến trường trong cuộc hành quân Toàn thắng 1/71. Chiếc trực thăng UH-1 phát nổ và bốc cháy sau khi cất cánh từ Trung tâm Hành quân của Quân đoàn III tại Tây Ninh được 10 phút. Ông tử nạn tại chỗ, hưởng dương 42 tuổi. Tử nạn cùng với ông còn có phóng viên chiến trường người Pháp Francois Sully, viết cho báo New York Times khi đang thị sát chiến trường Campuchia.[10]

Về sau có tin đồn cho rằng tướng Trí bị mưu sát do sự tranh giành quyền lực từ các tướng lĩnh trong quân đội Sài Gòn, bởi chiếc trực thăng phát nổ quá đột ngột không rõ nguyên nhân. Anh ruột của Ðỗ Cao Trí là nha sĩ Ðỗ Cao Minh cho biết rằng Ðại tá Chiêm, Phụ trách ban an ninh phủ Tổng thống kể như sau: Sáng hôm đó ký giả tuần báo Newsweek, ông Francois Sully, gặp Tổng thống Thiệu đúng 8 giờ, sau đó gặp Trung tướng Ðỗ Cao Trí lúc 9 giờ để cùng đi thị sát mặt trận Campuchia. Theo thông lệ, Sully phải để hành lý xách tay lại văn phòng bí thư hay tùy viên, lúc về thì lại cầm theo. Không hiểu giữa thời gian đó, có ai gài bom nổ chậm trong cặp không?

Ngay sau khi tai nạn xảy ra, Tổng thống Nguyễn Văn Thiệu cùng phu nhân đến dự lễ tẩm liệm. Trong buổi lễ, Tổng thống thay mặt Chính phủ và Quân đội truy thăng cho ông cấp bậc Đại tướng.

Ngày 26 tháng 2, lễ an táng được cử hành trọng thể với lễ nghi quân đội. Tổng thống Thiệu đến dự lễ an táng cùng truy tặng Đệ nhất đẳng Bảo quốc Huân chương và Quân công bội tinh kèm Anh dũng bội tinh với nhành Dương liễu. Linh cữu được đặt trên một chiếc Thiết vận xa M-113 đưa đến nơi an nghỉ tại Nghĩa trang Quân đội Quốc gia Biên Hòa. Ông là vị tướng đầu tiên cùng an nghỉ với hàng chục ngàn tử sĩ chung một nghĩa trang theo nguyện vọng lúc sinh tiền. Trên mộ ông có khắc 2 câu thơ: Sống giữa ba quân, Thác giữa ba quân. Khóa 24 sĩ quan Võ bị Quốc gia Đà Lạt (khai giảng 7/12/1967, mãn khóa 17/12/1971) được mang tên Khóa Đỗ Cao Trí để tưởng niệm.

Ngoài các sĩ quan[10] còn có 2 Trung sĩ người Việt cùng 2 Sĩ quan Phi công và 2 Trung sĩ xạ thủ người Mỹ. Tất cả các vị này đều được truy thăng lên một cấp và được tổ chức lễ nghi an táng theo quy chế của Quân đội.

Năm 1983 hài cốt của ông được thân nhân bốc đem hỏa thiêu, di cốt được đưa vào thờ trong một ngôi chùa tại quê nhà, Biên Hòa.