تختی در ۱۷ دی ۱۳۴۶ در اتاقش در هتل آتلانتیک تهران درگذشت. او دو روز قبل از مرگش یعنی ۱۵ دی، وصیت‌نامه اش را در دفترخانه اسناد رسمی شماره ۲۰۲ تحت شماره ۳۴۲۸ و با تعیین کاظم حسیبی به عنوان سرپرست فرزندش بابک (که تنها ۴ ماه داشت)؛ به ثبت رسانده بود.

براساس اخبار منتشره در روزنامه‌های اطلاعات و کیهان ۱۸ دی ۱۳۴۶ غلامرضا تختی به خاطر وجود اختلافات خانوادگی با همسرش شهلا توکلی خودکشی کرده‌است.

این در حالیست که برخی مخالفان حکومت گذشته و مذهبیونی که خمینی را به قدرت رساندند، می گفتند: ساواک تختی را به دلیل محبوبیت زیاد و عدم وفاداری به نظام وقت ایران به قتل رسانده‌ است.

بابک تختی (تنها فرزند غلامرضا تختي) می گوید: من بیش از ۲۰ سال پیش در ایران وقتی دنبال اسناد و مدارک درباره پدرم بودم راهم کشیده شد به وزارت اطلاعات. آن‌ها به من گفتند سری به هتل آتلانتیک زدی یا نه. من با صاحب هتل که از سال ۴۶ آن را در اختیار داشت صحبت کردم گفت چطور بابک جان نیامدی این همه سال قاتل پدرت را ببینی. من در طول راه دچار عذاب وجدان بودم که باید خودم می رفتم هتل یا کس دیگری را می‌فرستادم. همه از اول انقلاب می‌گفتند این هتل لانه زنبور و متعلق به ساواک بوده است. این فقط پوششی بوده که تختی را به قتل برسانند. وقتی من آقای ساعد مدیر هتل را دیدم و از مصیبت‌هایی شنیدم که به خاطر مرگ تختی در آن هتل رفت، مصاحبه‌ای با رادیو بی‌بی‌سی فارسی کردم و گفتم تختی خودکشی کرده و همه کسانی که تختی را دوست دارند به آقای ساعد یک عذرخواهی بدهکارند.

وی افزود: دروغ شهیدسازی تختی را جلال آل‌احمد شروع کرد. او به دروغ گفت تختی را کشتند. این باعث و بانی بسیاری از اتفاقات غلط شد. آقای ساعد خیلی ستم کشید. چند بار زندان رفت. رفت پیش مرحوم طالقانی و به ایشان گفت اگر ما قاتل تختی هستیم یا ما را بکشید یا بگذارید زندگی خودمان را بکنیم. تا قبل از انقلاب مادرم قاتل تختی بود و بعد از انقلاب آقای ساعد شد. سازندگان فیلم اول تختی پیش آقای ساعد رفته بودند. آقای ساعد این چیز‌ها را که به من گفته بود برای آن‌ها و صد نفر دیگر تعریف کرده بود. من آخرین نفری بودم که شنیدم. آقای ساعد گفت شما این را در فیلم نمی‌گذارید. آن‌ها قول دادند بگذارند. اما فیلم دوباره‌‌ همان روایتی بود که اولین بار بعد از انقلاب در روزنامه جمهوری اسلامی خواندم و گفته بود ساعد یکی از ستون‌های ساواک بود. عین همین روایت در فیلم آمده است که این هتل را یکشبه درست می‌کنند برای تختی و جمعش می کنند.

بابک تختی گفت: تختی را نکشتند. من تصور می‌کنم تختی رفته بود هتل به این امید که شاید یکی سراغش بیاید و نجاتش بدهد. وگرنه می‌توانست برود باغ خودش. تختی آگاهانه دست به این انتخاب زد. نمی‌توانست پیش‌بینی کند که ۱۱ سال بعد انقلاب خواهد شد و آقای ساعد دچار گرفتاری می‌شود وگرنه در هتل این کار را نمی‌کرد.