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女優業を休止して療養中だった1975年7月8日午前5時55分、東京都大田区の自宅近くにある東海道本線大森～蒲田間の跨線橋において1.2mの柵を越えて8m下の線路に飛び降り、そこを通りかかった横須賀線久里浜発東京行きの普通列車に轢かれて即死した。享年22。
高速列車に轢かれたために事故現場は凄惨で、遺体は顔面が完全に粉砕され、胴体も手足が轢断して四方八方にバラバラに飛び散るなど損傷が酷かったと言う。加えて身元を証明出来る所持品が一切無かった事から警察は身元確認に手間取り、当初は身元不明人として荼毘に付された。その後、家族からの捜索願や着用していた衣類、血痕などから自殺者が保倉である事を突き止めたのは7月10日になってからであった。
遺体の検視で強姦や妊娠の兆候があったとされ殺害も疑われたものの、遺体の損傷や腐敗が酷く、すぐに火葬されたため結局再捜査はされず自殺と断定された。自殺の動機については母親の病気の介護や当時出演していたドラマの俳優との性的な人間関係、ノイローゼからくる情緒不安定など諸説あるが、遺書が無かったため現在に至るまで不明である。女優として順風満帆な活躍としていると思われていた矢先の突然の自殺だった事から、当時は「謎の自殺」と騒がれた。
2011に公開された映画マイ・バック・ページにて忽那汐里が保倉幸恵をモデルとするヒロインを演じた。
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