Nel febbraio 2004, mentre i genitori partirono per una vacanza in Grecia, il Pirata affermò di voler andare in vacanza in montagna passando da Milano. Secondo la testimonianza della madre fece le valigie portando tre giubbotti, di cui uno da sci, che però avrebbe lasciato in albergo a Milano, quando, cambiata idea, decise di andare a Rimini. Secondo quanto dichiarato da un tassista, il bagaglio di Pantani era solamente una piccola busta di plastica contenente medicinali. Tuttavia, nonostante ciò, i tre giubbotti furono trovati nella stanza del residence dove il ciclista alloggiava (non è appurato chi li portò, visto che si era diretto da solo).
Arrivò a Rimini il 10 febbraio, prendendo alloggio inizialmente per una notte, poi per quattro. La sera del 14 febbraio 2004 venne trovato morto nella stanza D5 del residence “Le Rose” di Rimini (edificio oggi non più esistente in quanto demolito e sostituito da un hotel che porta lo stesso nome). L’autopsia rivelò che la morte era stata causata, fra le 11:30 e le 12:30, da un edema polmonare e cerebrale, conseguente a un’overdose di cocaina e, secondo una perizia effettuata in seguito, anche da psicofarmaci.
La morte di Pantani lasciò sgomenti tutti gli appassionati delle due ruote, per la perdita di un grande corridore, uno degli sportivi italiani più popolari del dopoguerra, protagonista di tante imprese.Le sue spoglie sono sepolte nel cimitero di Cesenatico (FC), in un’edicola decorata da una vetrata artistica riproducente un particolare del Compianto su Cristo morto di Alessandro Tiarini.
