Zginęła tragicznie 29 listopada 1981 podczas rejsu jachtem, którym płynęła z Wagnerem i aktorem Christopherem Walkenem (z którym, jak głosi plotka, Wood miała romans na planie dreszczowca fantastycznonaukowego Douglasa Trumbulla Burza mózgów [Brainstorm, 1983] w okolicach wyspy Catalina Island u wybrzeża Kalifornii na jachcie na Oceanie Spokojnym. Oprócz nich na pokładzie był jedynie szyper. Między Wagnerem, Wood i Walkenem, będącymi pod wpływem alkoholu, miało dojść do awantury. Ostatnimi słowami aktorki były: „Ani chwili nie zostanę z tym wariatem”. Późnym wieczorem Wagner przybiegł do kapitana, informując, że jego małżonka „zniknęła”. Jej poszukiwania nie przyniosły rezultatu; na jachcie brakowało jednej z łodzi ratunkowych, uznano, że Wood spuściła ją na wodę, chcąc dopłynąć do brzegu. Następnego dnia znaleziono ciało aktorki, dryfujące w odległości ponad półtora kilometra od jachtu. Zmarła miała na sobie tylko koszulę nocną, a jej ciało nosiło ślady obrażeń. Według ustaleń śledztwa, będąca pod wpływem alkoholu Wood w nocy wypadła za burtę i utonęła po 15 minutach wołania o pomoc. W 2001 ukazała się biografia autorstwa Suzanne Finstad Natasha, która wykazała, że śledztwo było farsą i po wypadku w 1981 nikomu nie zależało na dotarciu do prawdy.