No dia 27 de julho de 1980, um domingo, Paulo Sérgio fez sua última apresentação na TV. Esta ocorreu no programa do apresentador Édson Cury (o Bolinha), da Rede Bandeirantes de Televisão, onde cantou duas músicas do seu último trabalho fonográfico: “O Que Mais Você Quer de Mim” e “Coroação”. Logo após apresentar-se no “Programa do Bolinha”, nos arredores do teatro onde aquele programa era veiculado, na Avenida Brigadeiro Luiz Antônio (São Paulo-SP), Paulo Sérgio envolveu-se num incidente que talvez tenha provocado sua morte. Ele saiu do auditório para pegar seu carro, estacionado próximo à Avenida Brigadeiro Luís Antônio. Várias fãs o cercaram. Queriam beijos, autógrafos, carinhos, fotografias. Uma delas, agressivamente, começou a comentar fatos relacionados à vida íntima do cantor e sua mulher, Raquel Telles Eugênio de Macedo. Para evitar encrencas os amigos trataram de afastar Paulo dela, enquanto a moça garantia que ainda tinha muito a dizer. Já nervoso, Paulo Sérgio deu a partida em seu carro, mas, quando manobrou o veículo, foi atingido por uma pedrada no para-brisa. Fora de si, ele desceu do automóvel e partiu em perseguição à moça. Esta se refugiou no interior de um edifício, para onde o zelador não permitiu que Paulo a seguisse. Furioso, Paulo avaliou os danos causados a seu veículo e aguardou vários minutos, na calçada, que a garota voltasse à rua.
Seus acompanhantes procuraram acalmá-lo. Ele ainda teria de cumprir três apresentações, antes que o domingo terminasse. Finalmente, o convenceram a esquecer o incidente e sair dali. Rumaram para uma pizzaria em Moema. Paulo tentou fazer um lanche, mas não conseguiu comer direito. Tinha muita dor de cabeça e nenhum apetite. A primeira apresentação foi no Grajaú. Quando terminou de cantar, Paulo chamou seu secretário, pedindo a ele que encontrasse uma farmácia e providenciasse comprimidos para sua dor de cabeça, que estava cada vez mais violenta. Ingeriu dois de uma só vez e partiu para Itapecerica da Serra. Mas lá só conseguiu cantar quatro músicas. A sua cabeça latejava dolorosa e implacavelmente e a sua visão estava começando a ficar turva. Ele cambaleou até o camarim. Logo depois, os amigos o encontraram alternando-se entre gemidos e gritos de dor e tendo tremores por todo o corpo. Fde pessoas que queriam ver e saber alguma notícia sobre o estado de Paulo Sérgio. O otimismo já cedia lugar a um certo desespero. Afora os familiares, ninguém mais naquele momento tinha autorização para entrar na UTI, onde ele se encontrava. As reações de Paulo Sérgio continuavam desfavoráveis. O Dr. Pimenta, chefe da equipe que incansavelmente tentava reabilitar o cantor, após exames minuciosos, revelou aos familiares de Paulo que suas possibilidades de sobrevivência já eram mínimas, quase nulas. Mesmo assim, a luta prosseguia. No hospital, a vigília permanecia continua. Mais uma noite e o estado de saúde de Paulo Sérgio, ao invés de melhorar, se agravou. Às 14 horas e trinta minutos de terça-feira, 29 de julho de 1980, já não havia a menor possibilidade de melhora. O cantor Paulo Sérgio estava praticamente sem vida, apenas os aparelhos mantinham sua respiração e seus batimentos cardíacos. Às vinte horas e trinta minutos, foi anunciado o fim de sua longa e dolorosa agonia. Apesar de todo o esforço feito para salvá-lo, Paulo Sérgio estava morto.

Durante a madrugada e a manhã seguinte o corpo do cantor ficou exposto para visitação no velório do Cemitério de Vila Mariana, em São Paulo. Atendendo ao pedido dos pais de Paulo Sérgio, o seu corpo foi sepultado no Rio de Janeiro. Na capital carioca, o velório ocorreu no Cemitério do Caju. Entre os cantores que prestaram suas últimas homenagens, podemos citar Antônio Marcos, Jerry Adriani, Agnaldo Timóteo e Zé Rodrix. Às 16 horas do dia 30 de julho (quarta-feira), o seu corpo baixou à sepultura ao som de seu maior sucesso, “Última Canção”. Várias lendas foram criadas em torno de sua morte, como boatos de que sofria de catalepsia, doença que apresenta sintomas de uma falsa morte, e que ele teria sido enterrado vivo. Tudo foi negado na época, mas essa história ainda faz parte da crença popular. No final dos anos 1980, uma nova tecnologia permitiu juntar as vozes de Paulo Sérgio e de seu filho, então com 12 anos. A canção escolhida foi Quero ver você feliz, música que Paulo gravou em 1975 em homenagem ao nascimento do filho. Na nova versão, lançada em 1987, o filho responde ao pai com novos versos, incluídos à letra original da canção.