Cadde vittima di una congiura organizzata dal governatore spagnolo di Milano, Ferrante Gonzaga. Covando questi un odio mortale per il Farnese, e volendo ingraziarsi l’imperatore Carlo V che mirava a conquistare i ducati di Parma e Piacenza, reclutò una serie di nobili che per vari motivi covavano rancore nei confronti del duca: Luigi Gonzaga di Castiglione, Giovanni Anguissola, Agostino Landi, Gianluigi Confalonieri e i fratelli Girolamo e Alessandro Pallavicino. Il 10 settembre 1547, trovandosi il duca nella cittadella vecchia di Piacenza, i congiurati riuscirono ad entrare nel fortilizio uccidendo alcune guardie, penetrarono nella camera da letto di Pier Luigi e lo trucidarono a pugnalate, gettandone quindi il corpo dalla finestra. Le truppe spagnole di Ferrante Gonzaga poco dopo entrarono a Piacenza.