ในวันที่ 10 ธันวาคม ค.ศ. 1867 นากาโอกะได้เดินทางไปยังที่ร้านโอมิยะในเมืองเกียวโตเพื่อพบกับซากาโมโตะ เรียวมะ ขณะที่ทั้งสองกำลังสนทนากันในห้องพักชั้น 2 ของร้าน ได้มีคนร้ายไม่ทราบฝ่ายเข้าจู่โจมและทำการลอบสังหาร (เหตุการณ์นี้เป็นที่รู้จักในชื่อ "คดีร้านโอมิยะ") [1] เรียวมะเสียชีวิตในที่เกิดเหตุทันที ส่วนนากาโอกะบาดเจ็บสาหัสและเสียชีวิตในอีก 2 วันให้หลัง โดยที่เขาไม่ได้สติพอที่จะบอกชื่อคนที่เข้ามาทำร้ายพวกตนได้เลย สุสานของเขาตั้งอยู่ที่ศาลเจ้าเรียวเซ็งโงโกกุ ในเมืองเกียวโต

อนึ่ง จักรพรรดิเมจิได้พระราชทานบำเหน็จความชอบย้อนหลังแก่นากาโอกะ โดยการแต่งตั้งให้เขาเป็นเจ้าขุนนางชั้นที่ 4 ในปี ค.ศ. 1891