Il est assassiné par Iakov Bloumkine, à la demande du comité central du Parti socialiste-révolutionnaire de gauche, qui a essayé de provoquer la reprise de la guerre avec l'Allemagne[3],[4]. Bloumkine est entré dans la résidence de Mirbach en utilisant des documents falsifiés et a tiré sur sa victime à bout portant.
Loin de remettre en cause le traité de paix avec l'Allemagne, cet acte terroriste confirme l'urgence de parachever les négociations avec l'Allemagne et l'Autriche-Hongrie, qui aboutissent au Traité de Berlin (27 août 1918) ; toutefois, l'assassinat de Mirbach marque le début de la révolte des socialistes-révolutionnaires de gauche à Moscou en 1918.
Wilhelm v. Mirbach est remplacé par Karl Helfferich comme ambassadeur allemand à la RSFSR. Le Traité de Berlin sera finalement dénoncé à la chute de l'Empire allemand (9-11 novembre 1918).