2012年12月、小山三が誰よりも愛し誇りに思っていた十八代目中村勘三郎が57歳の若さで急逝。最大の理解者を失った悲痛のなかでも、小山三は「中村屋の灯を消してはならない」と舞台に立ち続けました。
最後の舞台となったのは、2014年4月歌舞伎座『鳳凰祭四月大歌舞伎』。その後、体調不良により療養に入り、2015年4月6日、虚血性心疾患のため都内の自宅で息を引き取りました。享年94。
歌舞伎界最高齢の現役役者として大往生を遂げた小山三の訃報に際し、各界から惜しみない追悼の声が寄せられました。葬儀では中村勘九郎が「天国で父（勘三郎）と再会し、また二人で芝居の話をしているはず」と涙ながらに語り、その献身的な役者人生に深い敬意が示されました。
