Il est tué dans un attentat suicide le 9 septembre 2001 à Khwadja Bahauddin, dans la province de Takhar au nord-est de l’Afghanistan. Les auteurs de l’attentat sont deux membres d’Al-Qaïda, les Tunisiens Dahmane Abd el-Sattar (mari de l’islamiste Malika El Aroud) et Rachid Bouraoui el-Ouaer20, deux hommes vivant à Bruxelles, en Belgique, qui ont pu l’approcher grâce à une lettre de recommandation du Centre d’observation islamique (organisation basée à Londres). Ils se sont fait passer pour des journalistes munis de faux passeports belges et équipés d’une caméra volée à France 3 àGrenoble, élément qui met en évidence l’importance de la région sud-lyonnaise dans l’enquête terroriste21. Le faux cameraman Bouraoui el-Ouaer fait exploser la ceinture de TNT scotchée sur son ventre. Massoud, gravement blessé au visage, est transporté en jeep dans un hélicoptère qui l’emmène à l’hôpital militaire de Farkhar (en) mais il meurt au cours du trajet22.

Sa mort a précédé de deux jours les attentats du 11 septembre 2001 aux États-Unis, et les deux événements semblent coordonnés. Une lettre de recommandation du journaliste Karim Touzani (pseudonyme utilisé par Dahmane Abd el-Sattar) adressée à Massoud avait été tapée en mai 2001 sur un ordinateur utilisé par Ayman al-Zawahiri et Mohammed Atef23.

À plusieurs reprises, Massoud avait essayé d’attirer l’attention de la communauté internationale sur le danger représenté par Oussama ben Laden et, selon certaines sources, préparait même une confrontation d’importance avec l’appui des États-Unis contre les talibans et Al-Qaïda24.