شهید طهماسبی بعد از سه روز از اعزام دومش به سوریه در روستای القراصی حومهٔ جنوبی شهر حلب سوریه در حالی که به دیوار ساختمان مهمات تکیه داد بود، حوالی ساعت ۱۰ صبح مورد اصابت موشک تاو آمریکایی قرار گرفت و با اقتدا به حضرت زهرا (س) و با پیکری سوخته در نیمهٔ خرداد سال ۱۳۹۵ همزمان با سالگرد رحلت پیر خمین به دیدار مولا و سرورش حضرت سیدالشهدا (ع) شتافت.
ساعت و روز شهادت شهید مهدی طهماسبی دقیقاً همزمان شد با ساعت و روز اعلام رسمی شهادت شهید ابراهیم عشریه. دو یاری که نه در زندگی دنیا بلکه سرنوشت آخرتشان هم به هم گره خورد.
از شهید، دو فرزند خردسال پسر به نام امیرمحمد و حسین به یادگار مانده است. هنگام شهادت پدر، امیر محمد ۶ ساله و حسین ۱۰ ماهه بود. حالا از شهید مهدی طهماسبی یک پلاک سوخته باقی مانده است. پلاکی که صاحبش، یکی از اصحاب آخرالزمانی سیدالشهدا (ع) است. مزار شهید مهدی طهماسبی در گلزار شهدای علی بن جعفر (ع) قم در قطعه شهدای مدافع حرم واقع شده و بنا بر وصیتش، شعری که خود در وصف بیبی زینب کبری (س) و شهدای مدافع حرم سروده بود، بر سنگ مزارش حک شده است:
قلب هر شیعه، خون شد از این غم
خواهر ارباب، بین نامحرم
به عطر سیب کربلا، جملگی مستیم
مدافعان حرم، زینبی هستیم