Последним журналистским заданием Д. Ю. Холодова стало расследование коррупции в Западной группе войск. 17 октября 1994 года неизвестный передал ему портфель-дипломат, в котором, якобы, содержались важные документы, подтверждающие различные нарушения, творившиеся в Министерстве обороны, в том числе информация о коррупции в Западной группе войск. На самом же деле в дипломате находилось взрывное устройство.

Д. Ю. Холодов вошел с дипломатом в редакцию газеты «Московский комсомолец». При попытке открыть его, взрывное устройство сработало, прогремел взрыв. Журналист получил тяжелую травму бедра с обширной рваной раной и другие повреждения, потерял много крови. Он умер в машине скорой помощи по пути в институт имени Склифосовского.

Уголовное дело по статье 102 УК РФ («Умышленное убийство при отягчающих обстоятельствах») было возбуждено 18 октября 1994 года. Почти месяц спустя был задержан первый подозреваемый по делу – полковник ГРУ Владимир Кузнецов. Его причастность к смерти журналиста не подтвердилась, обвинение было снято уже в июне 1995 года. В 1998 – январе 1999 годах были задержаны шесть подозреваемых: бывший начальник разведки ВДВ полковник запаса П. Поповских, бывший командир особого отряда 45 ОРП ВДВ майор В. Морозов, бывший десантник, предприниматель К. Барковский, заместители Морозова майор А. Сорока и К. Мирзоянц, замгендиректора ЧОП «Росс» А. Капунцов.

Причиной преступления называли слова бывшего министра обороны П. Грачева о том, что Д. Ю. Холодов своими статьями порочит честь русской армии Эти слова были неправильно поняты его сотрудниками и расценены как «призыв к действию».

Расследование было завершено 8 июля 1999 года, в феврале 2000 года дело было направлено в суд. Первое заседание по делу об убийстве Д. Ю. Холодова прошло в Московском окружном военном суде 9 ноября 2000 года. 26 июня 2002 года суд оправдал всех обвиняемых «за отсутствием доказательств» и освободил из-под стражи.

1 декабря 2002 года Генеральная прокуратура опротестовала оправдательный приговор по делу журналиста. 27 мая 2003 года военная коллегия Верховного суда отменила его и направила на повторное рассмотрение. 10 июня 2004 года обвиняемые были повторно оправданы. 14 марта 2005 года военная коллегия Верховного суда подтвердила законность оправдательного приговора.

Дмитрий Холодов похоронен на Троекуровом кладбище. 17 октября 1995 года на его могиле был открыт памятник. Одна из улиц в Климовске носит имя Д. Ю. Холодова, на здании школы №5 и здании редакции газеты «Московский комсомолец» установлены мемориальные таблички. Д. Ю. Холодов является лауреатом премии «За свободу прессы» (1994 год, награжден посмертно), лауреат премии Союза журналистов России (1994 год, награжден посмертно).