Pada 10 May 1973, Lee pengsan semasa sesi rakaman pengalihan suara untuk "Enter the Dragon" di Golden Harvest di Hong Kong. Selepas menderita penyakit sawan dan sakit kepala, beliau telah dimasukkan ke Hospital Hong Kong Baptis di mana para doktor mendiagnosis keadaanya sebagai bengkak otak. Mereka mampu mengurangkan pembengkakan dengan memberi beliau ubat mannitol. Gejala sakit kepala dan bengkak otak pada kali pertama beliau pengsan telah berulang pada hari kematiannya.

Pada 20 Julai 1973, Lee berada di Hong Kong untuk makan malam bersama bintang filem James Bond, George Lazenby di mana beliau bertujuan untuk berkerjasama dalam sebuah filem. Menurut isterinya, Lee telah bertemu dengan penerbit Raymond Chow pada pukul dua petang di rumahnya untuk perbincangan pembikinan filem "Game of Death". Mereka berkerja sehingga pukul empat petang dan kemudiannya memandu ke rumah rakan sekerja Lee, Betty Ting Pei, seorang pelakon Taiwan. Mereka bertiga telah membincangkan skrip tersebut di rumah Ting dan Chow kemudiannya meninggalkan rumah itu untuk menghadiri satu temu janji makan malam.

Lee kemudiannya mengadu sakit kepala dan Ting memberinya ubat penahan sakit dan pil aspirin di mana kedua-duanya mengandungi bahan kimia penenang, meprobamate. Sekitar pukul 7.30 malam, Lee membaringkan dirinya untuk tidur sebentar. Apabila Lee gagal muncul untuk waktu makan malam, Raymond Chow pergi ke flat tersebut, namun tidak berjaya membangunkan Lee dari tidurnya. Seorang doktor telah dipanggi ke tempat kejadian dan dia menghabiskan masa selama 10 minit untuk cubaan menghidupkan Lee sebelum Lee dihantar ke Hospital Queen Elizabeth. Semasa ketibaan ambulans di hospital, Lee telah di istihar meninggal dunia dalam hampir berusia 33 tahun.

Menurut laporan autopsi, beliau tidak mempunyai apa-apa kecederaaan luar. Akan tetapi, otak Lee telah membengkak sebanyak 13 peratus, dari 1400 gram hinggalah 1575 gram. Laporan tersebut turut mengesan kehadiran aspirin dalam tubuh badannya. Pada 15 Oktober 2005, di dalam satu sesi temu ramah, Chow menyatakan bahawa Lee meninggal dunia dari alahan bahan kimia meprobamate, di mana Chow juga menyatakan ia adalah bahan biasa yang digunakan dalam ubat penahan sakit. Apabila doktor mengumumkan kematiannya, ia adalah disebabkan "kematian yang malang".

Isteri beliau pulang semula ke Seattle dan telah mengebumi beliau di lot 276, Lakeview Cemetery. Pengiring keranda di majlis pengebumiannya pada 31 Julai 1973 termasuk Taky kimura, Steve McQueen, James Coburn, Chuck Norris, George Lazenby, Dan Inosanto, Peter Chin dan abangnya, Robert.

Kontroversi Menyelubungi Kematian Lee

Semasa peristiwa kematian Lee, pelbagai khabar angin telah muncul di media. Status Lee sebagai seorang ikon dan kematiannya sebelum waktu ajal telah membawa kepada pelbagai khabar angin liar dan teori. Ini termasuklah pembunuhan oleh ahli kongsi gelap dan anggapan sumpahan terhadap beliau dan keluarganya.

Donald Teare, seorang ahli saintis forensik yang dicadangkan oleh Scotland Yard dan mempunyai pengalaman lebih 1000 kes autopsi telah ditugaskan untuk mengendalli kes Lee. Kesimpulan dia mengenai kematian sebelum ajal beliau adalah disebabkan serangan akut pembengkakan otak yang terjadi akibat tindak balas antara bahan-bahan kimia dalam aspirin.

Walaupun terdapat andaian awal yang menyatakan kandungan ganja dalam perut Lee menyumbang kepada kematiannya, Teare menafikannya dan menyatakan bahawa "ia adalah tidak bertanggungjawab dan rasional untuk mengatakan bahawa ganja mungkin mencetuskan Lee untuk pengsan pada 10 Mei atau kematiannya pada 20 Julai". Dr R.R. Lycette, seorang ahli patologi klinikal di Hospital Queen Elizabeth melaporkan bahawa kematiannya tidak mungkin disebabkan oleh ganja.

Pada Konvensyen Comic-con San Diego 1975, rakan Lee, Chuck Norris menyatakan kematiannya adalah disebabkan reaksi antara ubat regangan otot yang telah diambil oleh beliau dari tahun 1968 untuk cakera tulang yang pecah serta ubat antibiotik yang diambil untuk sakit kepala pada malam kematiannya.

Di dalam buku, "The Death of Bruce Lee: A Clinical Investigation" membentang satu kepercayaan Lee yang dia telah lali terhadap penggunaan ubat aspirin pada masa kali pertama "reaksi akut hipersensitif" pada 10 May 1973. Lee mengelakkan penggunaan ubat tersebut sehinggalah kematiannya pada malam 20 Julai 1973 disebabkan pembengkakan otak.