Dio zemřel následkem rakoviny žaludku, přestože absolvoval rozsáhlou léčbu. Ta byla naneštěstí neúspěšná, byť do ní bylo vloženo opravdu mnoho - včetně zrušení koncertního turné formace Heaven and Hell. Skupina sestávala z některých členů Black Sabbath: vyjma Dia se složení účastnil kytarista Tony Iommi, basák Geezer Butler a hráč na bicí - Vinny Appice.

Diagnóza byla hudebníkovi určena v listopadu 2009, přičemž své poslední vystoupení zažil v srpnu téhož roku v Atlantic City. Několik dní po jeho úmrtí se konal veřejný pohřeb interpreta, který se uskutečnil v prostorách The Hall of Liberty v Los Angeles. Obřadu se zúčastnilo mnoho fanoušků, kteří posedávali dokonce před halou. Nechyběla ani celá řada obdobně laděných umělců, kdy někteří z nich na místě pietně vystoupili.

Na počest tohoto význameného hudebního autora se uskutečnilo mnoho akcí záhy po jeho smrti. Lze jmenovat například tuzemské pojmenování hlavní stage na Masters of Rock právě po R. J. Diovi. Stejně tak tomu bylo na festivalu Bloodstock Open Air v Anglii. Oproti tomu v Bulharské Kavarně byla odhalena socha Dia. V roce 2014 pak jeho žena zorganizovala vydání tribute desky This Is Your Life, jejíž výtěžek putoval do fondu proti rakovině.

Ronnie James Dio se dožil věku sedmašedesáti let a za své dlouholeté působení v hudebním průmyslu se mu podařilo prodat přes čtyřicetsedm milionů alb. Stal se tak milovaným umělcem, který se zapsal do historie rocku a metalu.