Palmeho zastrelili 28. februára 1986, keď spolu s manželkou Lisbet odchádzali z kina vo švédskej metropole. Žena pri útoku utrpela zranenia a strelca neskôr identifikovala ako Christera Petterssona, ktorého najprv odsúdili za Palmeho vraždu, no odvolací súd ho neskôr oslobodil pre nedostatok dôkazov. Pettersson zomrel v roku 2004.
Vražda premiéra vtedy šokovala národ a naštrbila povesť škandinávskej krajiny považovanej za bezpečnú a mierumilovnú, v ktorej mohli politici na verejnosti chodiť bez ochranky. Zo zločinu podozrievali viac než sto osôb a nevyriešený prípad dal zelenú vzniku mnohých konšpiračných teórií, ktoré zahŕňali ako možných páchateľov zahraničné vlády, švédsku políciu s napojením na krajnú pravicu či osamelého strelca.
Hlavný prokurátor Krister Petersson však na stredajšej tlačovej konferencii uviedol, že vyšetrovanie uzatvára, pretože hlavný podozrivý Stig Engström zomrel v roku 2000. V čase vraždy bol 52-ročný Engström údajne jedným z prvých ľudí na mieste činu a krátko ho považovali aj za možného podozrivého. V minulosti pôsobil v armáde, bol členom streleckého klubu, často pracoval dlho do noci a mal problémy s alkoholom. Zamestnaný bol v poisťovni Skandia a ostro nesúhlasil s Palmem a jeho sociálnodemokratickou politikou, uviedol prokurátor.