13 сентября 1982 года Грейс попала в автокатастрофу. Она потеряла управление автомобилем 1980 Rover SD1 (3500V8)[17], машина сорвалась с крутого поворота и упала на склон горы. В машине также находилась её дочь Стефания, оставшаяся в живых. Когда спасатели извлекли Грейс из разбитой машины, она была ещё жива, однако находилась без сознания из-за серьёзных ранений. Грейс Келли подключили к аппарату искусственного дыхания, но врачи решили, что её состояние несовместимо с жизнью и что Грейс уже не спасти, и, с разрешения Ренье, отключили аппараты искусственного дыхания. Она умерла на следующий день в госпитале Монако, позже переименованном в 1985 году в Больничный центр княгини Грейс (англ. The Princess Grace Hospital Centre).

В заключении врачей сообщалось о «церебрально васкулярном приступе», который произошёл у княгини, когда она вела автомобиль. По версии профессора Жана Шателана, главного хирурга госпиталя Монако, где скончалась Грейс Келли, она перенесла инсульт[18]. Первоначально утверждалось, что Стефания получила небольшие ушибы, но позже выяснилось, что произошёл серьёзный перелом шеи[19].

Княгиня Грейс была похоронена 18 сентября в семейном склепе Гримальди после реквиема в Соборе Святого Николая в Монако[20]. На службе присутствовало 400 гостей, среди которых были представители иностранных правительств и члены европейских королевских домов. Диана, принцесса Уэльская представляла британский королевский дом, Кэри Грант был среди представителей от киносообщества. Около ста миллионов зрителей по всему миру смотрели её похороны[21]. Князь Ренье до самой своей смерти остался вдовцом и был похоронен рядом с Грейс в 2005 году[22].