En julio de 1977 se descubrió que se le había formado un melanoma lentiginoso acral, una forma de melanoma, en el primer dedo de su pie derecho; la lesión encontrada en su dedo gordo es un signo típico de este tipo de cáncer. A pesar de su enfermedad, Marley deseó seguir adelante con las actuaciones programadas y no se extirpó el cáncer ni se puso en tratamiento.
Después de ocho meses luchando sin éxito contra el cáncer, Bob Marley tomó un avión de regreso a Jamaica. Durante el vuelo desde Alemania, sus funciones vitales comenzaron a fallar. Cuando el avión aterrizó, tuvo que ser trasladado de urgencia al hospital pues necesitaba atención médica inmediata. Murió en el Cedars of Lebanon Hospital, ahora Hospital Universitario de Miami, en la mañana del 11 de mayo de 1981, a la edad de 36 años. La expansión del cáncer que comenzó como un melanoma en su piel y la metástasis producida en sus pulmones y cerebro fueron la causa de su temprana muerte. Las últimas palabras fueron a su hijo Ziggy Marley, a quien le dijo «El dinero no puede comprar la vida».
Bob Marley recibió un funeral de estado el 21 de mayo de 1981 que combinaba elementos de la Iglesia ortodoxa etíope con los de la tradición rastafari. Fue enterrado con su guitarra Gibson Les Paul roja (algunos dicen que en realidad se trataba de una Fender Stratocaster) en una capilla próxima al lugar en donde nació.