Va morir el 28 d'octubre de 2005 a l'hospital M.D. Anderson Cancer Center de Houston, situada a l'estat de Texas, a conseqüència d'una leucèmia.
Recerca científica
El descobriment per part de Harold Kroto d'una nova forma de cristal·lització geomètrica del carboni, constituïda per seixanta àtoms d'aquest material, va permetre Smalley, i el seu col·laborador de la Universitat de Rice Robert Curl, la síntesi química d'aquesta nova forma anomenada ful·lerè, la qual esdevé la tercera forma més estable del carboni després del diamant i el grafit.
L'any 1996 fou guardonat, juntament amb Curl i Kroto, amb el Premi Nobel de Químicapel descobriment dels ful·lerens.