December 2-án a Szép Szó vezérkarának társaságában töltötte napját, Szárszón felkereste őt Ignotus Pál, Remenyik Zsigmond és Fejtő Ferenc, akik jó hírrel szolgáltak: januártól lektori állást szereztek neki a Pantheonnál, sőt felmerült az is, hogy újra beáll a Szép Szó szerkesztőinek sorába, ezen felül pedig elmondták neki, hogy kilátásban van egy új kötetének megjelenése is a Cserépfalvinál. Azonnal indult volna a csapattal Pestre, ám nem volt már számára hely az autóban. Nem igazán felbecsülvén, hogy a költő milyen rossz állapotban van, az egyik utas kinyitotta a kocsi ajtaját és azt mondta, „Látod Attila, itt még egy kutya sem férne el.” A tréfásnak szánt megjegyzés mélyen szíven ütötte a beteg embert, aki bizonyítani óhajtotta ismerősei előtt, hogy nincs is semmi baja, sőt még nősülést is tervez.
December 3-án reggel fordításhoz készülődött, délelőtt heverészett, jó étvággyal elfogyasztotta az ebédet, majd újságot olvasott. Délután lediktált egy levelet Etel nővére ügyvédjének. Mintegy másfél órával a tragikus esemény előtt Jolánnal krumplit vásároltak, mivel azonban József Attila cipekedni nem tudott, „jó gyermekként” megfogadta, hogy erősíteni fogja izmait, ezután jókedvűen sétálni indult.
Már estefelé járt, amikor a balatonszárszói vasútállomáson átbújt a sorompó alatt, majd megpróbált átcsúszni a 19 óra 36 perckor továbbinduló 1284. számú tehervonat – amelynek érkezése amúgy nem volt feltüntetve a menetrendben, csak a vasutasok rendelkeztek róla információval – 15. és 16. kocsijai között. A szerelvény azonban elindult, a kocsikat összekötő csavarkapocs súlyos ütést mért József Attila fejére, koponyáját bezúzta, s emiatt a költő a sínek közé zuhant.
Egyes vélemények szerint viszont öngyilkos lett, amit mások vitatnak, a kérdés a mai napig eldöntetlen, de nem is szükséges eldönteni tekintettel a költő állapotára, súlyos pszichiátriai betegségére. Garamvölgyi László és Kéri Edit többek között MÁV jelentések, csendőrségi jegyzőkönyv és helyszínrajzon alapuló kutatásai a balesetet támasztják alá, de olyan balesetről kell beszélnünk, amelyben az áldozat vétkes felelőtlenséget mutatott. A napi előzmények ismeretében a költő idegileg mániákó-fázisban lehetett, tehát kockáztatott, amikor a kocsik közé bújt, bátornak hitte vagy akarta tudni magát.
Ezzel szemben Tverdota György a költő születésének 100. évfordulójára megjelentetett Költőnk és kora című könyvében ezt írja: „Ne legyen kétségünk arra nézve, hogy József Attila tudatosan választotta a halált. Világos időszakaiban, mert hiszen a tudatzavar csak részlegesen uralkodott elméjén, a tőle megszokott alapossággal és pontossággal konstatálta, hogy gyógyíthatatlan. Világosan látta esélyeit: ha tovább él, hátralevő éveit eltompított állapotban, elmegyógyintézetben kell letöltenie. Ezért az egyetlen megoldást választotta, amelyet ilyen esetben választani lehet: az öngyilkosságot. 1937. december 3-án este a balatonszárszói állomáson önként vetett véget életének.” Akárhogy is, József Attila élete tragikus volt, de nem tekinthető a „rendszer” mártírjának, akit belehajszoltak az öngyilkosságba.
A balatonszárszói televíziótól Vígh Magdolna 1995-ben interjút készített Budavári János szemtanúval, aki annak idején látta a balesetet. Ő a következőket nyilatkozta a tragédiáról: „Á, nem úgy volt, hogy a vonat alá vetette magát! Ez egy gyorstehervonat volt… Hogy aztán tudta-e, hogy indulóban van… Előbb átbújt a sorompó alatt, és bement a két vagon közé. Azt a hosszú kabátját elkapta a kerék, három-négy fordítást csinált vele, megroncsolta a fejét, utána megállt.””
A halotthoz lóháton érkezett egy körorvos, dr. Csapláros Imre, hogy megállapítsa a halál közvetlen okát és beálltát. Szántó Judit ugyanerről ír: „A vonat a lakástól 2 perc! Mire elindultak volna körülnézni a kertben vagy az uccán (vonatra nem gondoltak, mert ebben az időben nemigen jár erre más, mint lassú tehervonat), már jöttek is a kíméletesek tudatni, hogy mint történt a tragédia. Két gyerek látta: négy percig állt az állomáson a tehervonat. A leeresztett sorompó előtt járt idegesen Attilácska szegény, majd mikor a vonat elindult, átbújt, letérdelt a sínek elé, két kezét előre téve a sínekre (…).”
Utolsó verse szinte a búcsúzás hangján szólal meg: Ime, hát megleltem hazámat (1937. november, részlet):
„Ime, hát megleltem hazámat,
a földet, ahol nevemet
hibátlanul irják fölébem,
ha eltemet, ki eltemet…”
[…]
„Szép a tavasz és szép a nyár is,
de szebb az ősz s legszebb a tél,
annak, ki tűzhelyet, családot,
már végképp másoknak remél.”
A költőt először Balatonszárszón református szertartás szerint temették el 1937. december 5-én, majd 1942-ben a budapesti Kerepesi úti temető 35. parcellájába kerültek hamvai, illetve 1959-ben áthelyezték a Munkásmozgalmi Pantheonba, Kádár János sírköve sokáig József Attiláé mellett állt. 1994-ben került vissza korábbi nyughelyére, a balatonszárszói temetőbe.
…Élete utolsó napján négy levelet adott postára Balatonszárszóról.
Szerelmének, Kozmutza Flórának:
Kedves Flóra!
Bocsásson meg nekem. Hiszek a csodában. Számomra csak egy csoda lehetséges és azt meg is teszem. Tudom, hogy szeretett, tudta, hogy szeretem. A többi nem rajtunk múlott. „Aztán mit sírsz, ha sorsunk írva van már!” – ezt Kosztolányi írta.
Csókolom a kezét és sok barátsággal, szeretettel üdvözlöm. Köszönjük az almákat, én is ettem belőlük, jóllehet a gyerekeknek küldte s én bizony nem is kértem tőlük, csak elvettem egyet.
Attila
U.i. Kérem, vasárnap ne jöjjön.
Volt élettársának, Szántó Juditnak:
Kedves Judit!
Sok szeretettel üdvözöllek.
Attila
Kezelőorvosának, Bak Róbertnek:
Balatonszárszó, 1937. december 3.
Kedves Doktor Ur!
Sok szeretettel üdvözlöm. Hiába kisértette meg a lehetetlent.
József Attila
Kiadójának, Cserépfalvi Imrének:
Balatonszárszó, 1937. dec. 3.
Kedves Imre Barátom!
Bocsáss meg, hogy elkésve írok. Ha szükséges még tőlem vers az anthológiába, kérlek választasd ki Cs. Szabóval (ha még ő a szerkesztő) a könyveimből. Hiszen nem volt szó új versről. Én itt három könyvet találtam: Les Clultimaments, Alcools és az Anthologie des Écrivains Franr;ais du XX Siecle, Poésie – Tome II.
Ezeket a könyveket még ma postára adom.
Szeretettel üdvözlöm családodat.
József Attila