ตอนบ่ายวันอาทิตย์ที่ 26 มีนาคม ค.ศ. 1967 จิมหายตัวไปจากโรงแรมแห่งหนึ่งในคาเมรอนไฮแลนด์ ประเทศมาเลเซีย ขณะเดินทางไปท่องเที่ยวพักผ่อนวันหยุด และไม่มีใครทราบชะตากรรมของเขานับแต่นั้น มีเพียงพยานรู้เห็นว่า เขาเดินออกจากที่พักตามปกติ แล้วไม่กลับมาอีกเลย บ้างก็ว่าถูกโจรฆ่าตาย หรือเป็นแผนร้ายของคู่แข่งทางธุรกิจ ฯลฯ

จิมได้ทิ้งมรดกเอาไว้มากมาย โดยเฉพาะอุตสาหกรรมไหมไทย และเรือนไทยไม้สักที่ปัจจุบันกลายเป็นพิพิธภัณฑ์ที่น่าตื่นตาตื่นใจสำหรับทั้งชาวไทยและชาวต่างประเทศ โดยมีการรวบรวมศิลปวัตถุของเอเชียตะวันออกเฉียงใต้เอาไว้เป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะพระพุทธรูปยุคสมัยต่าง ๆ ซึ่งรวมทั้งบางส่วนที่ได้มาครอบครองโดยผิดกฎหมาย เช่น เศียรพระโพธิสัตว์ศรีอารยเมตไตรยซึ่งกรมศิลปากรได้รับรายงานว่าถูกโจรกรรมและทำลายไปจากถ้ำเขาถมอรัตน์

พิพิธภัณฑ์บ้านจิม ทอมป์สัน อยู่ในความดูแลของมูลนิธิจิม ทอมป์สัน ได้รับรางวัลอาคารอนุรักษ์ดีเด่น ประจำปี พ.ศ. 2539 จากสมาคมสถาปนิกสยาม ในพระบรมราชูปถัมภ์

จิม ทอมป์สันนับว่าเป็นบุคคลสามัญคนแรกที่พัฒนากิจการทอผ้าพื้นเมืองของไทย ให้เป็นที่รู้จักแพร่หลายในต่างประเทศ