Las circunstancias de la muerte de la cantante fueron confusas, y aún hoy en día despiertan diversas hipótesis; el sábado 3 de octubre de 1970, Joplin visitó el estudio de grabación Sunset Sound Recorders en Los Ángeles, para escuchar la parte instrumental de «Buried Alive in the Blues», antes de grabar su pista vocal programada para el día siguiente. En algún momento de ese mismo día, le comunicaron por teléfono que su prometido, Seth Morgan, estaba en su casa jugando al billar con otras mujeres que había conocido ese sábado. En el estudio expresó su enfado por la noticia, y porque la noche anterior no había cumplido con su promesa de ir a visitarla. A pesar de ello, manifestó alegría por el progreso de la grabación. Por la noche, junto con el miembro de la banda Ken Pearson, salieron del estudio hacia el bar Barney’s Beanery. Después de la medianoche los llevó a su casa y luego se retiró a su habitación en el Landmark Motor Hotel.
Al día siguiente, el domingo 4 por la tarde, Joplin no apareció en el estudio según lo convenido, por lo que el productor Phil Rothchil comenzó a preocuparse. El administrador y representante de la banda Full Tilt Boogie, John Cooke, decidió visitarla y encontró su automóvil Porsche descapotable en el aparcamiento. Al entrar a la habitación, la encontraron muerta, tirada en el suelo a un lado de su cama. La causa oficial de su muerte fue una sobredosis de heroína, probablemente bajo los efectos del alcohol. Cooke cree que Joplin accidentalmente recibió heroína con una concentración más alta a la normal, debido a la sobredosis de otros adictos en esa semana.
El episodio habría ocurrido alrededor de la 1:45 p.m. del día 4 de octubre. Se dice que esto le sucedió en otras ocasiones, pero esta vez no hubo nadie que la ayudara. Algunas circunstancias que rodearon su muerte nunca se explicaron, como la pureza extrema que tenía la droga que la mató y que las jeringas usadas no se encontraron; se especuló incluso que pudo haber una persona involucrada. Su amiga Peggy Caserta admitió que, al igual que Seth Morgan, había prometido visitar a Joplin la noche del viernes 2 de octubre, pero se había ido de fiesta con otros consumidores de drogas que estaban alojados en un hotel de Los Ángeles. De acuerdo con su libro Going Down With Janis, Caserta escuchó del distribuidor que les vendió la heroína a ella y Joplin el sábado, que la artista le expresó su tristeza por dos amigos que la habían abandonado la noche anterior.
La canción «Buried Alive in the Blues» quedó inconclusa con la trágica muerte de la cantante, aunque fue finalmente incluida como un tema instrumental en Pearl, a manera de un homenaje póstumo. Joplin fue incinerada en la funeraria Pierce Brothers Westwood Village en Los Ángeles. Sus cenizas fueron esparcidas desde un avión en el océano Pacífico a lo largo de Stinson Beach. El único servicio fúnebre tuvo un carácter privado, ya que solo asistieron los padres de Joplin y su tía materna.
En su testamento, Joplin dejó 2500 dólares para realizar una fiesta en su honor en caso de su desaparición. Alrededor de 200 personas recibieron invitaciones para la fiesta que decía: «Las bebidas son por Pearl», una referencia al apodo de la cantante. El evento, que tuvo lugar el 26 de octubre de 1970, fue en Lion’s Share, localizado en San Anselmo, California. Contó con la presencia de su hermana Laura y amigos cercanos de Joplin, como el artista del tatuaje Lyle Tuttle, el prometido de Joplin, Seth Morgan, Bob Gordon, y su mánager de gira John Cooke. Se repartieron brownies mezclados con hachís entre los asistentes.