Payá och ytterligare en regimkritiker, Harold Cepero, omkom 22 juli 2012 vid en trafikolycka på Kuba. Bilen kördes av dåvarande ledaren för Partido Populars ungdomsförbund Nuevas Generaciones, Ángel Carromero och i framsätet satt även svenska Kristdemokraternas Aron Modig. Både Carromero och Modig överlevde med lindriga skador, men Carromero dömdes av de kubanska myndigheterna till fyra års fängelse för orsakande till annans död.

Carromero utlämnades senare till Spanien, där han efter bara några veckor beviljades öppen anstalt. Han uppger att det inte är fråga om en singelolycka, utan att de pressats av vägen av ett annat fordon och att Payá och Cepero var vid liv när de fyra fördes till sjukhus.

Payás familj anklagar den kubanska säkerhetstjänsten för att ha iscensatt mordet på oppositionsledaren och har presenterat en anmälan i Audiencia Nacional, baserat på att Payá även hade spanskt medborgarskap.