A pesar de que los detalles del último día de vida y la muerte de Hendrix han sido muy discutidos, pasó la mayor parte del 17 de septiembre con Monika Dannemann en Londres, siendo esta la única testigo de sus horas finales. Dannemann dijo que preparó la cena en su apartamento del Hotel Samarkand de Lansdowne Crescent, Notting Hill, sobre las once de la noche y compartieron una botella de vino. Después lo llevó a casa de un conocido a la 1:45, y este se quedó allí aproximadamente una hora, hasta que volvió a recogerle sobre las 03:00. Dannemann comentó que se quedó hablando con él hasta las siete de la mañana, momento en que se quedaron dormidos. Se despertó sobre las once de la mañana y se encontró a Hendrix respirando, pero inconsciente. Llamó a una ambulancia a las 11:18, que llegó a las 11:27. Los paramédicos llevaron a Hendrix al Hospital St Mary Abbot donde se le declaró muerto a las 12:45 del 18 de septiembre de 1970. Para determinar la causa de la muerte, el forense Gavin Thurston ordenó una autopsia, que realizó el patólogo forense Robert Donald Teare el 21 de septiembre. Thurston completó la investigación el 28 de septiembre y concluyó que Hendrix aspiró su propio vómito causándole una asfixia y una intoxicación de barbitúricos. Declaró el caso un veredicto abierto debido a insuficiencia de evidencia de las circunstancias. Posteriormente, Dannemann declaró que Hendrix había tomado siete de sus pastillas de prescripción médica Vesparax, dieciocho veces más de la dosis recomendada. Sin embargo en el programa «Autopsias de Hollywood» después de un análisis, conocimientos y más tecnología que en el momento de su autopsia, se ha revelado que la causa de su muerte fue un enfisema pulmonar. Un enfisema se define en términos patológicos por el agrandamiento permanente de los espacios aéreos distales a los bronquiolos terminales, con una destrucción de la pared alveolar, con o sin fibrosis manifiesta. Es una enfermedad crónica comprendida junto con la bronquitis crónica en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC). El nombre viene del griego emphysema que significa «soplar el aire» o «insuflar».
Después de que Desmond Henley embalsamase el cuerpo de Hendrix, este se mandó a Seattle, Washington, el 29 de septiembre de 1970. El 1 de octubre, después de un servicio en la Iglesia Dunlop Baptist, se le enterró en el Cementerio Greenwood de Renton, Washington, donde también estaba enterrada su madre. La familia y amigos de Hendrix viajaron en veinticuatro limusinas y asistieron más de doscientas personas, entre ellas Mitch Mitchell y Noel Redding, además de Miles Davis, John Hammond, y Johnny Winter.