در ۱۶ مرداد ۱۳۴۹ مأموران ساواک او را در حال شکار در استان دیاله با وجود محافظان عراقی، هدف گلوله قرار دادند. بختیار پس از زخمی شدن در بیمارستان الرشید بغداد بستری شد. ابتدا رو به بهبودی بود، اما به علت عفونت، حال او وخیم شد و در ۲۵ مرداد ۱۳۴۹ درگذشت.

ترور «تیمور بختیار» در عراق یکی از چندین مورد ترور انجام شده به وسیله‌ی ساواک در حذف مخالفین سیاسی رژیم پهلوی بوده است. در مورد چگونگی ترور بختیار در سال 1349 دو روایت وجود دارد که با هم تفاوت دارند، این سند نشان می‌دهد که «محمدرضا پهلوی» و «سپهبد نصیری»  رئیس ساواک، در جریان این ترور قرار داشته‌اند؛ چرا که در این تلگراف رمز که به خط نصیری است از تیمور بختیار با نام «سوژه» یاد می‌شود. در بخشی از این سند می‌خوانیم: «از مجموع اطلاعات و گزارشات رسیده این نتیجه به دست آمده است که عوامل مربوطه، سوژه [تیمور بختیار] را هدف چند گلوله قرار داده‌اند و سوژه به بیمارستان منتقل شده لیکن هنوز زنده است.»