Le 16 septembre 1942 il obtient à 22 ans le grade de Hauptmann (capitaine) ce qui en fait alors le plus jeune capitaine de la Luftwaffe. Mais la suprématie de l'ennemi et la fréquence des missions qui en découlent laissent également des traces chez Marseille. Il était souvent très fatigué et tendu, ce qui lui valu de se faire proposer une permission par le Generalfeldmarschall Rommel lui-même qui lui demanda de l'accompagner à Berlin et de se tenir à ses côtés lors d'un discours d'Hitler. Marseille refusa car il ne voulait pas quitter son unité et parce qu'il souhaitait se rendre auprès de sa fiancée à Noël.
Le 30 septembre 1942, le jour même du discours du « Führer » dans le palais des sports de Berlin, son escadrille rentre d'une mission sans avoir combattu lorsque l'appareil de Marseille, un Messerschmitt Bf 109 G-2, est victime d'une fuite dans une canalisation d'huile qui déclenche un incendie dans le moteur. Le pare-brise est recouvert d'huile, Marseille est alors guidé vers les lignes allemandes par ses co-équipiers. Lorsqu'une épaisse fumée finit par envahir l'habitacle, Marseille décide de s'extraire de son avion. Malheureusement pour lui, celui-ci ne se trouvait pas dans la bonne position : il heurte l'empennage arrière avec sa tête en sautant, ce qui lui vaut d'être tué sur le coup avant d'avoir pu actionner son parachute.
Il fut enterré quelques jours plus tard avec les honneurs militaires à Derna; une petite pyramide fut érigée sur les lieux de l'accident par la 3e escadrille et des camarades italiens. Sur la plaque en bronze qui ornait la pyramide était inscrit : « Ici mourut invaincu le capitaine H.J. Marseille ». Après la guerre sa dépouille fut transférée dans le mémorial de l'Afrikakorps à Tobrouk.
En 1989 une nouvelle pyramide fut érigée à la même place par ses anciens camarades avec la même inscription en arabe, en allemand et en italien.
Le capitaine Hans-Joachim Marseille avait obtenu 158 victoires, dont 151 sur le front d'Afrique du Nord, au cours de 388 missions de combat. Marseille est alors le troisième pilote allemand à franchir la barre des 150 victoires mais est le premier à les avoir toutes remportés contre les talentueux pilotes de l'Empire britannique. La Luftwaffe de la Bundeswehr d'après-guerre honora elle aussi ce pilote de chasse exceptionnel en donnant son nom à une caserne.