Moon fue invitado por Paul McCartney al pre-estreno de la película The Buddy Holly Story (basada en el álbum del mismo nombre) en la noche del 6 de septiembre de 1978. Después de cenar con Paul y Linda McCartney en Peppermint Park, en Covent Garden, Moon y su novia, Annette Walter-Lax, regresaron al piso donde alojaban, cedido por Harry Nilsson, en el N.º 12 de Curzon Place 9, Shepherd Market, Mayfair.
Moon ingirió 32 pastillas de Clometiazol.9 El medicamento fue un sedante que le había sido prescrito para lidiar con sus síntomas de abstinencia al alcohol, mientras intentaba desintoxicarse en su propia casa. Moon estaba desesperado por limpiarse, pero estaba aterrado con la posibilidad de volver a otro hospital psiquiátrico de desintoxicación. Sin embargo, está específicamente contraindicado el consumo de Clometiazol en casa y sin supervisión, debido a su adicción y al riesgo de mezclar el medicamento con el alcohol, pudiendo provocar la muerte.
Las pastillas fueron prescritas por su nuevo médico, el Dr. Geoffrey Dymond, que no tenía conocimiento de la naturaleza imprudente e impulsiva de Moon, junto con su largo historial de abusos con los sedantes recetados. El Doctor le recetó a Moon un frasco con 100 pastillas, y le indicó que debía tomar solo una cada vez que sentía deseo por el alcohol (pero no más de 3 por día). La policía determinó que había 32 pastillas en su organismo, la digestión de 6 fueron suficientes para causar su muerte, las otras 26 fueron encontradas sin disolver dentro de su estómago cuando él murió. Cass Elliot, integrante de The Mamas and The Papas, también murió no solo en el mismo lugar (cuatro años antes), sino en la misma cama y a la misma edad.
Moon murió poco después del lanzamiento de Who Are You. En la portada del álbum, se le observa sentado en una silla con el respaldo hacia adelante para ocultar el peso ganado durante los últimos tres años (como se explica en Dear Boy, libro de Tony Fletcher). Casualmente las palabras «No quitar» aparecen en la parte posterior de la silla.
Keith Moon fue incinerado ese mismo mes en Londres, en el Crematorio de Golders Green, donde una placa conmemorativa con la frase «There is no substitute» («No hay sustituto», utilizando la palabra «Substitute», sencillo de The Who) fue puesta en el lugar. Sus cenizas fueron esparcidas en los jardines del crematorio (Gardens of Remembrance).