چمران دوباره در تاریخ ۳۱ خرداد ۱۳۶۰ که برای سرکشی، معرفی و توجیه فرمانده جدید محور به جای «ایرج رستمی» به منطقه جنگی دهلاویه رفته بود، در خط مقدم نبرد، بر اثر اصابت ترکش خمپاره ۶۰ دشمن از ناحیه پشت سر زخمی شد؛ مورد اصابت قرار گرفتن این فرمانده از پشت سر، از آن زمان تاکنون منشأ گمانه زنی‌های بسیار در مورد احتمال مرگ او بر اثر شلیک آتش خودی بوده‌است، هرچند برخی از همرزمان وی، چنین احتمالی را دور از ذهن دانسته‌اند. کمک‌های اوّلیه بر روی او در بیمارستان سوسنگرد انجام گرفت و آمبولانس به اهوازشتافت ولی پیکر بی‌جان او به اهواز رسید. و در همان تاریخ درگذشت  آرامگاهش در بهشت زهرا قرار دارد و آدرس قبر او قطعهٔ ۲۴ ردیف: ۷۱ شماره: ۲۵ و تاریخ دفنش ۱۳۶۰/۴/۲ است.