A atriz também havia assinado contrato para entrar no elenco de Bonanza, mas em 10 de setembro de 1971 ela foi encontrada morta em seu apartamento. Pier Angeli tomou uma dose letal de remédios para dormir.
Rumores na época diziam que a atriz deixou um bilhete acusando a mãe de ter promovido uma infelicidade que ela nunca superou, embora a carta suicída nunca tenha aparecido publicamente. Porém, dias antes de morrer Pier Angeli enviou uma carta para uma amiga (que chegou após a sua morte) onde escreveu:
"... meu amor morreu no volante de um Porsche. Faz 17 anos que estou sozinha, desesperadamente sozinha. Quero encontrar paz e ser livre, e finalmente estar com meu pai e Jimmy novamente."
Em Fairmouth, a antiga casa de James Dean tornou-se um museu. Nele, é possível ver um medalhão com fotos da atriz e algumas das cartas que ela escreveu ao amado.
Em 1974 a atriz Judith Rawlins, a segunda esposa de Vic Damone (com quem ele ficou casado de 1963 a 1971) também cometeu suicídio, aos 37 anos de idade.
Em 1972, após a morte da irmã, Patrizia Pierangeli também passou a trabalhar como atriz, mas teve uma carreira bem menos sucedida que a das irmãs mais velhas.