Pada 5 September 2012, Mahadzir Mohd. Khir meninggal dunia di Pusat Perubatan Universiti Malaya pada usia 67 tahun akibat serangan jantung. Berlaku pendarahan di dalam otak iaitu strok sekitar jam 6 petang ketika beliau berehat bersama keluarga. Jenazah beliau dibawa ke rumahnya di Jalan 14/50, Seksyen 14, Petaling Jaya. Jenazah Allahyarham disembahyangkan di Masjid Tun Abdul Aziz, Seksyen 14, Petaling Jaya dan dikebumikan di Tanah Perkuburan Islam Bukit Kiara, Kuala Lumpur. Antara kenamaan yang hadir ialah Datuk Seri Najib Razak, Tan Sri Muhyiddin Yassin dan Menteri Pembangunan Luar Bandar dan Wilayah Dato' Seri Mohd Shafie Apdal.

Mahadzir Khir pernah melakukan pembedahan jantung pada 2004. Beliau sempat menghadiri majlis perkahwinan saudaranya di Kuala Lumpur dan menemani ibunya menghadiri sebuah seminar di Amerika Syarikat sebelum Ramadan 2012.[2][3][4]