Pada Julai 1977, Marley didapati mempunyai sejenis melanoma malignan di bawah kuku jari kaki. Berbeza dengan legenda bandar, luka ini tidak terutamanya disebabkan oleh kecederaan semasa perlawanan bola sepak pada tahun itu, tetapi sebaliknya gejala kanser yang sudah sedia ada. Marley menolak nasihat doktor,supaya kakinya dipotong, memetik kepercayaan agama, dan bukannya kuku dan kuku katil telah dikeluarkan dan cangkuk kulit yang diambil daripada paha beliau untuk menutup kawasan itu.[51][52] Walaupun beliau sakit, Marley terus melawan kesakitan itu dan semasa itu beliau sedang dalam proses penjadualan jelajah dunia pada tahun 1980.[53]

Album Uprising dikeluarkan pada Mei 1980. Band ini selesai jelajah utama di Eropah, di mana konsert terbesar kepada 100,000 penduduk di Milan. Selepas jelajah tersebujt, Marley pergi ke Amerika, di mana beliau mempersembahkan dua persembahan di Madison Square Garden di New York sebagai sebahagian daripada Jelajah Uprising.

Bob Marley muncul di Teater Stanley (kini dikenali sebagai Pusat Seni Persembahan The Benedum) di Pittsburgh, Pennsylvania, pada 23 September 1980; ia akan menjadi konsert terakhir. Satu-satunya gambar yang diketahui dari persembahan telah dipaparkan dalam filem dokumentari Kevin Macdonald. Marley.[54]

Tidak lama selepas itu, kesihatan Marley merosot kerana kanser telah merebak ke seluruh tubuhnya. Selebihnya jelajah itu telah dibatalkan dan Marley mendapatkan rawatan di klinik Bavaria Josef Issels, di mana beliau menerima jenis yang kontroversi terapi kanser (rawatan Issels) sebahagiannya berdasarkan mengelakkan makanan tertentu, minuman, dan bahan-bahan lain. Selepas melawan kanser tidak berjaya selama lapan bulan Marley menaiki kapal terbang untuk rumahnya di Jamaica.[55]

Walaupun Marley telah berlepas pulang dari Jerman ke Jamaica, fungsi penting semakin teruk. Selepas mendarat di Miami, Florida, beliau dibawa ke hospital untuk rawatan perubatan dengan segera. Bob Marley meninggal dunia pada 11 Mei 1981 di Cedars of Lebanon Hospital di Miami (kini Hospital Universiti Miami) pada usia 36 tahun. Penyebaran melanoma ke paru-paru dan otak menyebabkan kematiannya. Kata-kata terakhir beliau kepada anaknya Ziggy adalah "Wang tidak boleh membeli hidup."[56]

Marley menerima pengebumian negara di Jamaica pada 21 Mei 1981, yang menggabungkan unsur-unsur Ethiopia Ortodoks dan tradisi Rastafari. Beliau dikebumikan di sebuah gereja berhampiran tempat kelahiran beliau dengan Gibson Les Paul merah (beberapa penyataan mengatakan bahawa ia adalah satu Fender Stratocaster).[57][58]

Pada 21 Mei 1981, Perdana Menteri Jamaica, Edward Seaga menghantar pengebumian Madah terakhir untuk Marley, mengisytiharkan:

Suara teriakannya kehadiran dalam dunia elektronik kami. Ciri-ciri beliau yang tajam, kelihatan agung dan gaya angkuh yang punaran terang pada landskap fikiran kita. Bob Marley tidak pernah dilihat. Beliau adalah satu pengalaman yang meninggalkan kesan mendalam dengan setiap pertemuan. Seperti seorang lelaki yang tidak boleh dipadamkan daripada minda. Beliau adalah sebahagian daripada kesedaran kolektif negara.[59]