Les deux missions du 26 septembre 1942 dans l'une desquelles Marseille abat sept avions alliés s'effectuent sur Bf 109G-2/trop, une variante du Bf109 plus moderne et tropicalisée. Les six premières de ces machines doivent remplacer les Bf 109F de l'unité et toutes sont attribuées au groupe 3 de Marseille. Ce dernier avait précédemment ignoré les ordres d'utiliser ces nouveaux avions en raison d'un taux élevé de pannes moteur, mais sur les ordres du Generalfeldmarschall Albert Kesselring, le pilote obéit à contrecœur. Une de ces machines, la WK-Nr. 14256 dotée d'un moteur Daimler-Benz DB 605 A-1, est le dernier avion de Marseille
Au cours des trois jours suivants, le groupe de Marseille est mis au repos. Le 28 septembre, il reçoit un appel téléphonique du Generalfeldmarschall Erwin Rommel lui demandant de l'accompagner en Allemagne. Hitler devant faire un discours au Sportpalast de Berlin le 30 septembre, Rommel et Marseille doivent y assister. Le pilote décline néanmoins cette offre, expliquant qu'il est nécessaire sur le front avec son unité et, comme il a pris des congés importants auparavant, il a l'espoir de se rendre auprès de sa fiancée Hanne-Lies Küpper à Noël, pour l'épouser.
Le 30 septembre 1942, le Hauptmann Marseille dirige son groupe dans une mission d'escorte de Stuka protégeant le retrait d'un des groupes de la Jagdgeschwader 53 (JG 53) déployé pour soutenir la Jagdgeschwader 27 (JG 27) en Afrique. Marseille tente d'engager le combat avec un avion allié dans les environs mais l'adversaire se retire sans combattre. Marseille indique cependant la position supposée de la formation adverse à son chef, Eduard Neumann. Marseille entend l'as Werner Schröer indiquer à la radio qu'il a abattu un Spitfire, puis en revenant à la base, le cockpit de son Bf 109G-2/trop commence à se remplir de fumée. Aveuglé par le pare-brise et à moitié asphyxié, il est guidé vers les lignes allemandes par ses coéquipiers Jost Schlang et Rainer Pöttgen. Au fur et à mesure, l'avion perd de la vitesse et de l'altitude. Après environ dix minutes, Pöttgen distingue la mosquée de Sidi-Abd-el-Rahman, avec ses murs blancs caractéristiques, et mentionne donc être passé côté allemand. À ce stade, Marseille estime que l'avarie est trop importante, et la situation étant difficile à supporter, il décide de sauter en parachute de l'avion.
Eduard Neumann qui dirige personnellement la mission du poste de commandement écoute la communication radio entre les pilotes et se rend compte immédiatement que quelque chose de sérieux se passe.
La large formation, groupée autour de Marseille, se détache pour lui donner la marge de manœuvre nécessaire à l'évacuation. Marseille effectue la procédure standard, mais en raison de la fumée et de la légère désorientation qu'il subit, il ne remarque pas que l'avion change d'assiette et entame une plongée (angle de 70 à 80 degrés) en prenant de la vitesse (environ 640 km/h). Il quitte le poste de pilotage et est aussitôt projeté vers l'arrière. Le côté gauche de sa poitrine heurte l'empennage de son avion, soit le tuant instantanément, soit le rendant inconscient au point de ne pouvoir actionner son parachute. Il tombe presque verticalement, frappant le sol du désert à sept kilomètres au sud de Sidi-Abd-el-Rahman, malgré un déploiement partiel du parachute.
Lors de la récupération du corps, la poignée d'ouverture du parachute révèle que Marseille n'a même pas tenté de l'ouvrir. Lors de son arrivée, l'Oberarzt Bick, le médecin de régiment pour le 115e Panzergrenadier-Regiment et l'un des premiers témoins de la chute fatale de Marseille74, note que la montre de Marseille s'est arrêtée exactement à 11 h 42. Dans son rapport d'autopsie postérieur, il ajoute que « le pilote était couché sur le ventre comme s'il dormait. Ses bras étaient cachés sous son corps. Au fur et à mesure que je me rapprochais, je vis un bassin de sang qui venait du côté de son crâne écrasé, (le cerveau) étant exposé ». Mettant le pilote sur son dos et ouvrant sa veste de vol, il découvre la croix de chevalier de la croix de fer avec feuilles de chêne et glaives et comprend immédiatement de qui il s'agit
L'Oberleutnant Ludwig Franzisket récupère le corps de Marseille. Ce dernier est placé à l'infirmerie de l'unité afin que ses camarades lui rendent hommage tout au long de la journée. Ils diffusent notamment le disque de la chanson Rhumba Azul qu'il aimait écouter. Les funérailles ont lieu le 1er octobre 1942 au cimetière de Derna. Le Generalfeldmarschall Albert Kesselring et Eduard Neumann lui font un éloge.
Le groupe de Marseille, le 3./JG 27, est nommé par la suite officiellement Marseille Staffel
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