Вероятно, произошло следующее. В последний момент, перед тем как покинуть кабину «Мессершмитта», Марселль случайно нажал на ручку управления. Практически ослепнув от едкого дыма и ослабев от удушья, летчик просто не успел заметить, как самолет перешел в крутое пикирование под углом 70–80°. Иначе он легко бы мог это исправить и избежать удара о самолет. Воздушный поток затянул его и с силой бросил на хвостовое оперение. Видимо, этот удар и стал смертельным. Во всяком случае, мгновенно потеряв сознание, Марселль уже не мог открыть парашют.
На основании изучения обломков самолета был сделан вывод, что причиной катастрофы стало разрушение шестерен дифференциального механизма, что, в свою очередь, привело к возгоранию масла. Специальная комиссия особо подчеркнула, что саботаж или ошибка пилота были исключены.
Всего Ханс-Йоахим Марселль совершил 388 боевых вылетов, проведя в воздухе в общей сложности 482 часа 49 минут.
1 октября 1942 г. его похоронили на немецком военном кладбище в ливийском городе Дерна. На траурной церемонии выступили командующий 2-м воздушным флотом генерал-фельдмаршал Альберт Кессельринг и командир JG27 майор Эдуард Нойманн. В тот же день о гибели Марселля было официально сообщено в информационной сводке Главного командования Вермахта.
На могильном камне в Дерна высечено лишь –Его внезапная гибель крайне тяжело сказалась на моральном состоянии I./JG27. Лишившись в сентябре трех асов – Марселля, Штальшмидта и Штейнхаузена, – группа оказалась неготовой к такому развитию событий. Во многом это объяснялось сложившимся в ней стилем командования, когда лишь немногие летчики добивались успеха. Нойманн так объяснял это: