김주혁은 2017년 10월 30일 서울 삼성동 영동대로 인근에서 차량 전복사고를 당했다. 사고 직후 고인은 병원으로 이송됐으나 결국 의식을 회복하지 못하고 세상을 떠났다.
갑작스러운 비보는 모두를 큰 충격에 빠뜨렸다. 평소 지병을 앓고 있던 것도 아니었던 고인은 불과 45세로 젊은 나이였다. 이에 사인에 대한 의견이 분분했다. 일부에서는 김주혁이 심근경색으로 사망했을 가능성이 높다고 추측했으나 국과수 부검 결과 사고로 인한 머리뼈 골절로 사망한 것으로 밝혀졌다. 하지만 차량 감정에서 특이점이 나오지 않으면서 사인을 둘러싼 의혹은 명백하게 밝혀지지 않았다.
고인의 유작은 영화 '독전'이며, 이 작품으로 제39회 청룡영화상에서 남우조연상을 받았다. 또한 해당 영화는 '독전2'로 개봉을 앞두고 있다.