1950年11月25日，第二次战役发起的当天，三架美军轰炸机从志愿军司令部驻地上空掠过，没有投弹。作了防空准备的人们松了一口气。不料，敌机突然掉转头，向志司驻地投下了几个凝固汽油弹，作战室被吞没在一片火海中，正在屋内的毛岸英当场阵亡。
彭德怀在当天向中央军委专门作了汇报，短短的电文，竟写了一个多钟头。
央视播放的纪录片《抗美援朝保家卫国》第20集《历史铭记》中，首次公开了毛岸英牺牲后，彭德怀亲自写给中央军委的绝密电报。这份电报题目《毛高二位同志被燃烧弹烧死》，其全文如下：
军委、高贺：我们今日七时已进入防空洞，毛岸英同三个参谋在房子内，十一时，敌机四架经过时他们四人已出来，敌机过后他们四人返回房子内，忽又来敌机四架，投下近百枚燃烧弹，命中房子，当时有二名参谋跑出，毛岸英及高瑞欣未及跑出被烧死，其他无损失。志司 廿五十六时
据武立金《毛岸英在朝鲜战场》一书介绍，1950年11月25日，毛岸英阵亡当天，彭德怀向中央军委专门电告此事，电报到了周恩来手中。周恩来深知这对毛泽东的打击会有多大，他不愿在毛泽东指挥战役的紧张时刻去分他的心，便把电报暂时搁下。1951年1月2日第三次战役结束后，毛泽东要秘书叶子龙把毛岸英调回中国，周恩来才把电报送给毛泽东、江青看，并附信说，“毛岸英同志的牺牲是光荣的。当时我因你们都在感冒中，未将此电送阅”。
当时毛泽东正在办公室。信和电报都不长，毛泽东却看了很长时间。毛泽东抽起香烟，沉思许久，才说：“打仗嘛，总难免要有牺牲。”
那么，是谁炸死的毛岸英呢？
美国国防部资料库里的记录显示：在1950年11月25日，第18战斗轰炸大队的3架P-51执行了一次轰炸任务，上述三架飞机隶属于南非空军。波兰裔南非籍飞行员Lipawsky使用凝固汽油弹袭击了中国志愿军指挥所，正在屋内的毛岸英未能及时逃出，当场阵亡。飞行员Lipawsky在1950年时是中校，时年35岁。他最终于2004年因心肌梗死而离世。