1982年（昭和57年）2月13日午後、港区高輪の自宅マンションのベッド上でうつ伏せの状態で倒れているのをマネージャーに発見されたが、既に呼吸・心音とも反応が無く死亡が確認された。死因は脳卒中と、吐瀉物が喉に詰まっての窒息によるもので45歳という短命だった。風邪で体調が悪かったところに、ウィスキーの牛乳割りを呷り、更に暖房をつけたまま漢方薬を飲んで寝入ってしまったのが原因といわれる。前日は九州で、その日は北海道でのステージの予定だった。あまりの突然の死に、チエミの親友だった「三人娘」の美空ひばりと雪村いづみ、他清川虹子や中村メイコらもショックを隠しきれずに号泣、チエミの通夜の席でも深い悲しみに暮れていた。

偶然ではあるが、チエミが葬儀のため柩によって実家の玄関を出た日は、奇しくも最期まで愛してやまなかった高倉健との結婚で、花嫁衣装を着て実家の玄関を出た日と同じであった。その高倉はチエミの葬儀の日、葬儀会場の前で車を停め手を合わせていたという。

また、その突然の死は本来なら朝のワイドショーなどで大きく報じられるものであったが、そのほんの数日前にホテルニュージャパンの大火災と日本航空機羽田沖墜落事故という大事故が連日にわたり発生していたため、朝のワイドショーでニュージャパン火災と日航機墜落事故で特別報道態勢を敷き大わらわだった各テレビ局はさらに大混乱に陥り、彼女の死は予想以上に小さな扱いになってしまった。そのため、これらの事故の余韻が褪めた後に追悼番組などが組まれ、マスコミでも大々的に取り上げられることになった。