2009年11月24日下午4時許,陳鴻烈在將軍澳電視廣播城拍攝尚未完成電視的處境劇《畢打自己人》期間,他於第十一廠服裝間因心絞痛而暈倒,及後由保安人員搶救及被帶上氧氣罩已半昏迷狀態[11],下午四時二十分許送往將軍澳醫院急症室做深切治療部搶救後無效昏迷[12];但在是陳鴻烈延至晚上7時11分、經醫生檢查後發現原來自己身體不適心口痛己暈倒昏迷倒臥地上由演變成彊硬惡化最終回證實不治,享年66歲,其後遺體已移送醫院公眾殮房驗屍[9]。
陳鴻烈死訊傳出後,無綫電視於當晚播出《畢打自己人》片頭前特地播放悼念陳鴻烈的黑白劇照,並配以「親愛的鴻烈大哥,謝謝您的一切,我們永遠懷念您」字幕以作最後致意[11][13][14]。隨後
TVB.com討論區也開設專區供網民留言,11月30日還能在其首頁直接點擊圖片進入討論區;而網民在網際網路討論區有10多個討論群組以及有超過三萬人在社交網絡服務網站Facebook作致敬[15]。另一方面,陳鴻烈於2009年9月起代言的網上遊戲《商業大亨》除了在官方網頁發出悼文外[16][17],也把網頁首頁改為黑白色,也於11月25日起至設立網上悼念冊為期達一個月[18]。
2009年11月28日,陳鴻烈遺孀的徐世榮為亡夫領取死亡證;同年12月7日於紅磡世界殯儀館設靈,12月8日中午以道教儀式舉殯以及後於柴灣的歌連臣角火葬場進行火化;火化後的骨灰運返臺灣安葬[8][19]。
陳鴻烈生前正拍攝《畢打自己人》、《飛女正傳》及《天與地》;《畢打自己人》監製羅鎮岳表示陳鴻烈的戲分會繼續播出;而有關陳鴻烈在劇中的戲分仍有10集存貨及10集未完成戲分,而陳鴻烈在劇中所飾演的「閆器」一角也和陳鴻烈現實生活一樣因心臟病發而去世,而這個劇情會於2010年播出[20]。至於陳鴻烈在另一部電視劇《天與地》剩餘未完成拍攝的10集戲分不會易角或重拍外,也不會刪剪陳鴻烈在該劇的戲分,惟該劇劇本作出修改[21]。
根據傳媒報道,陳鴻烈在猝死前一星期的工時已超過70小時,而其底薪只有每月港幣3,000元(比起1964年他於邵氏的3,500元還要低),而每月總收入亦只有約六萬港元,因此傳媒認為年長任演員的工時及保障問題值得關注[22]。