Ngày 25 tháng 4 năm 1882, thực dân Pháp tấn công thành Hà Nội, trong một trận đấu không cân sức, ông thắt cổ tự vẫn để khỏi rơi vào tay giặc. Mộ ông được cải táng về quê nhà tại xã Điện Quang, huyện Điện Bàn và đã được trùng tu tôn tạo 2 lần vào năm 1982 và năm 1998. Lăng mộ cụ Hoàng Diệu xây dựng gồm 2 phần: bên ngoài là tường rào bao bọc, có chiều dài 27m, chiều rộng 14,3m, ngay tại trụ cổng có dựng một tấm bia bằng đá cẩm thạch, có dòng chữ: Lăng mộ Binh bộ Thượng thư Hà Ninh Tổng đốc Hoàng Diệu. Bên trong là phần lăng mộ gồm có 2 trụ cổng, lăng cao 2,4m, nhà bia cao 3m, phía trong nhà bia có đặt 1 tấm bia bằng đá cẩm thạch, chiều ngang 0,64m, chiều cao 1,10m, chiều dày 0,2m, phần trên đỉnh bia có chạm rồng chầu nguyệt, phần giữa bia có ghi “Nhà yêu nước Hoàng Diệu (1829 - 1885), Xuân Đài, Điện Quang, Điện Bàn, đã tuẫn tiết trong cuộc chiến đấu bảo vệ thành Hà Nội 1882”. Cạnh nhà bia, phía bên trong là phần mộ của ông hướng về phía  Bắc cao 0,54m, dài hơn 2m, mộ được bao bọc bởi 1 hoàng thành nhỏ có chiều cao 1,3m tính cả đế. Cuối cùng là hậu tẩm, cao 2,3m, chạm rồng phượng, toàn bộ tô đá gra-ni-to. Đứng từ xa nhìn về ta có thể thấy rất rõ lăng mộ của ông trông rất uy nghiêm nhưng rất hài hòa với khung cảnh thiên nhiên nơi đây.
Di tích lăng mộ của ông có ý nghĩa rất lớn trong việc giáo dục truyền thống về tinh thần yêu nước, về đạo đức tư cách, về nghĩa khí sáng ngời của một con người vì nước quên thân cho thế hệ trẻ hôm nay và mai sau.
Địa chỉ đỏ này Bộ Văn hóa - Thông tin công nhận là di tích cấp Quốc gia theo quyết định số 152/QĐ-BT ngày 25/01/1994.