Zginął wskutek zamachu 19 października 1926 ok. godz. 18:15 na ulicy Królewskiej we Lwowie, zastrzelony przez zamachowców z Ukraińskiej Organizacji Wojskowej (UWO) Bohdana Pidhajnego i Romana Szuchewycza. Zamachu dokonano w obecności żony SobińskiegoGrzegorz Motyka, Ukraińska partyzantka, Warszawa 2006, s. 43.. Według Ryszarda Torzeckiego organizatorem tego zamachu był komendant krajowy UWO Julijan HołowinskyjRyszard Torzecki, Kwestia ukraińska w Polsce w latach 1923–1929, Kraków 1989, s. 263..
22 października 1926 został pochowany na Cmentarzu Łyczakowskim we Lwowie, po uroczystym pogrzebie gromadzącym ok. 10 tys. osób, w którym rząd polski reprezentował minister spraw wewnętrznych Felicjan Sławoj Składkowski.
W dniach 21 stycznia – 13 marca 1928 odbył się we Lwowie proces 17 członków UWO oskarżonych o zamach na Stanisława Sobińskiego, zdradę państwa i szpiegostwo. O zabójstwo zostali oskarżeni Wasyl Atamańczuk i Iwan Werbyćki, którzy zostali skazani na karę śmierci. 19 października 1928 Sąd Najwyższy uchylił wyrok odnośnie do oskarżenia o zabójstwo i przekazał sprawę do ponownego rozpoznania sądowi przysięgłych we Lwowie. W ponownym procesie o zabójstwo Stanisława Sobińskiego, który odbył się w dniach 28 stycznia – 15 lutego 1929 Werbyćki został skazany na karę śmierci, Atamańczuk na 10 lat ciężkiego więzienia.