Когда Луи Геккерн показал письмо поэта опытному в делах чести графу Г.А. Строганову, тот посоветовал стреляться и, вероятно, рассказал, что поэт на дуэлях никогда первым не стрелял. 26 января Пушкин получает ожидаемый вызов от Жоржа Дантеса: его приёмный отец, будучи дипломатом, не мог участвовать в дуэли. В секунданты поэт приглашает во многом по случайному стечению обстоятельств лицейского товарища Константина Данзаса. По настоянию Пушкина тот договаривается с секундантом Дантеса виконтом Огюстом Д’Аршиаком о жёстких, рассчитанных на смертельный исход условиях дуэли по недавно появившемуся кодексу графа де Шатовиллара: стреляться должны были с 10 шагов (7–8 метров) и возобновлять поединок в случае отсутствия результата.
Дуэль держалась в тайне и состоялась в 5 часов вечера 27 января на Чёрной речке за Комендантской дачей. На пути к условленному месту Данзас, видимо, лихорадочно соображал, как спасти друга и великого поэта, понимая, что остановить дуэль нельзя. Возможно, он решил смягчить условия и, заряжая пистолеты, засыпал в дуло минимальное количество пороха, чтобы уменьшить пробивную силу пули, поскольку ранение в грудь с 10 шагов означало почти неминуемую и мгновенную смерть. В этом случае точно так же зарядил пистолеты Дантеса и Д’Аршиак, строго соблюдая дуэльный кодекс. У него не было причины желать смерти дуэлянтам: Дантес был его родственником, а Пушкина он ценил и понимал, что поэт значит для России.
Соперники начали сближаться по команде секундантов. Не доходя одного шага до барьера, Дантес выстрелил первым и ранил Пушкина в живот. Превозмогая боль, поэт всё же попросил подать ему второй пистолет взамен первого, забитого снегом при падении. Дантес встал к барьеру, загородив грудь правой рукой. Пушкин выстрелил, Дантес упал раненный, но потом выяснилось, что пуля попала в руку, лишь слегка контузив грудь. Так решение Данзаса спасло жизнь не Пушкину, а его противнику. Бог не допустил, чтобы поэт убил даже такого, в сущности, духовно ничтожного человека, как Дантес. Смертельно раненного Пушкина привезли домой в карете, заблаговременно посланной Луи Геккерном к месту дуэли. Старый верный слуга Никита Козлов внёс поэта в дом на руках.
Последовавшие за этим события хорошо известны. Прибывшие лучшие столичные врачи не скрыли от поэта, что рана смертельна: в то время перитонит, неизбежный при проникающем ранении в живот, практически не поддавался лечению. В дом приехали его ближайшие друзья, потрясённые страшным известием. Наталья Николаевна была подавлена внезапно свалившимся на неё горем, очень страдала и винила себя, хотя Пушкин повторял, что она невиновна.
Поэт стойко переносил страшные боли, ему становилось то лучше, то хуже. Лишь однажды во время сильнейшего болевого приступа он попросил слугу принести пистолет, но потом покорно отдал его Данзасу. По ночам Пушкин старался не стонать, чтобы не беспокоить жену. Жуковский вывешивал на двери бюллетени о состоянии поэта для его многочисленных поклонников, заполнивших набережную Мойки перед домом. Пушкин велел позвать священника, исповедался и причастился. Его успокоило известие от царя, обещавшего позаботиться о семье и уплатить долги.
У поэта было время проститься с женой, детьми, друзьями. 29 января (10 февраля по новому стилю) в 14 часов 45 минут Пушкин отошёл в вечность. Жуковского потрясло возникшее ненадолго выражение «глубокой, величественной и торжественной мысли» на лице умершего поэта. Престарелый отец Пётр Песоцкий, священник Конюшенной церкви, исповедовавший Пушкина, был тронут его мужеством и говорил потом, что сам для себя желал бы такого покаяния перед смертью, какое имел поэт.
Наталья Николаевна ещё утром 29 января не теряла надежды на выздоровление мужа, несмотря на прогнозы врачей. «Пушкин, Пушкин, ты жив?» – спросила она, бросившись к телу только что умершего поэта, всё ещё не веря в его смерть. Она была сильно потрясена и тяжко страдала. Её долго мучили сильные и крайне болезненные судороги в ногах, но на людях она старалась держаться.
Похороны Пушкина были омрачены действиями властей, боявшихся массовых выступлений. Дом наполнился жандармами, к возмущению друзей, почувствовавших слежку. Проститься с поэтом пришли тысячи человек. Расходы по похоронам взял на себя Г.А. Строганов, что принесло ему добрую репутацию.