Charlie Bell, för närvarande operativ chef, har utsett till ny vd, medan Andrew J McKenna har utnämnts till styrelseordförande.
Cantalupo befann sig i Orlando i Florida för att delta i ett möte med restaurangägare.
Cantalupo var tidigare en av de högsta cheferna inom McDonalds innan han drog sig tillbaka 2002. I början av 2003 kallades han åter till företaget och tog över som vd i ett läge när vinsterna föll, bland annat till följd av galna ko-sjukan.
Under hans ledning har McDonalds sedan förändrat sina menyer och genomfört andra åtgärder för att öka försäljningen och förbättra lönsamheten.
McDonalds-aktien föll med 1,5 procent i den tidiga handeln på New York-börsen, rapporterar TT/Reuters.
McDonalds vd död
Snabbmatskedjan McDonalds vd och ordförande Jim Cantalupo avled på måndagen 60 år gammal. Den troliga dödsorsaken var en hjärtinfarkt, skriver bolaget i ett pressmeddelande.
BREAKING