خودروی وی که مورد اصابت گلوله قرار گرفته‌است.
فخری‌زاده در عصر ۷ آذر ۱۳۹۹ در شهر آبسرد شهرستان دماوند ترور شد.در جریان این ترور در میدان خلیج فارس شهر آبسرد، ابتدا یک خودروی نیسان کنار خودروی فخری‌زاده منفجر شده و بعد از آن شخصی [یا اشخاصی] دیگر از داخل یک خودرو در سمت دیگر خیابان خودروی حامل فخری‌زاده را به رگبار بسته‌اند. بر اساس گزارش خبرگزاری تسنیم در جریان این درگیری یکی از محافظان فخری‌زاده ۴ تیر خورده و خود او هم بعد از انفجار و اصابت گلوله، با بالگرد به بیمارستان منتقل شده و در آنجا جان باخته‌است.وزارت دفاع و پشتیبانی نیرو های مسلح در بیانیه‌ای، کشته شدن فخری‌زاده در جریان ترور را تأیید کرد.در جریان این درگیری تعداد دیگری از افراد هم کشته شدند که هویت آنها هنوز معلوم نیست.
نیویورک تایمز در گزارش ۲۷ نوامبر ۲۰۲۰ خود راجع به ترور فخری‌زاده از قول سه مقام آمریکایی (یک مقام رسمی و دو افسر اطلاعاتی) نقل کرد: «اسرائیل پشت حمله به (این) دانشمند بوده». هر چند معلوم نیست که آمریکا چقدر در جریان این عملیات بوده‌است، ولی آمریکا و اسرائیل در تبادل اطلاعات راجع به ایران همکاری نزدیک دارند و کاخ سفید و سی آی ای از ابراز نظر در این مورد خودداری کرده‌اند.
روز ۳ دسامبر ۲۰۲۰، یک مقام ارشد دولت آمریکا به شبکه خبری سی ان ان گفت که اسرائیل پشت ترور دانشمند ارشد هسته‌ای ایران است و فخری‌زاده «مدت‌ها زیر نظر اسرائیلی‌ها بود» اما اینکه آمریکا از جزئیات حمله مطلع بوده یا خیر اظهار نظری نکرد.
شبکه تلویزیونی اسکای نیوز طی گزارشی این ترور را با اهمیت دانست و گفت فخری‌زاده برای سازمان اطلاعاتی خارجی به خصوص آمریکا و اسرائیل فردی شناخته شده بود و این حادثه را «معادل هسته‌ای» کشته شدن قاسم سلیمانی توصیف کرد.
علی خامنه‌ای دربارهٔ خطر ترور به خود فخری‌زاده هشدار داده بود چون گفته می‌شد که او «رعایت نمی‌کند و جاهای مختلفی می‌رود».