Redningsoperasjonen ble utført torsdag av britiske og nigerianske styrker, ifølge nyhetsbyrået Reuters.
Cameron ga selv klarsignal til operasjonen, etter at han fikk vite at livene til de to mennene var i stadig større fare, opplyser han.
Men aksjonen for å redde britiske Chris McManus og italienske Franco Lamolinara mislyktes. Cameron beklager at de nå har mistet livet.
– Vi venter fremdeles på en bekreftelse av detaljene, men de første opplysningene indikerer at begge mennene ble drept av dem som holdt dem fanget, opplyser Cameron.
Kidnappet i mai 2011
De to ble tatt til fange i mai 2011, da væpnede menn stormet leiligheten de bodde i nordvest i Nigeria.
På en video som dukket opp i Nigerias hovedstad Abuja i august står de to bortførte på knær og med bind for øynene. Tre menn med turban, samt våpen og ammunisjon, står bak dem.
Saken fortsetter under bildet
Ifølge nyhetsbyrået AFP, som har sett videoen, sier McManus og Lamolinara at kidnapperne er fra Al Qaida.
I en annen video, som AFP fikk tilgang til i desember, truet maskerte og væpnede menn med å drepe McManus vhis kravene deres ikke ble møtt. Et mauritansk nyhetsbyrå som først mottok den andre videoen sier at kidnapperne er fra en nigeriansk gruppe inspirert av Al Qaida.
Cameron vil ikke spesifisere identiteten til kidnapperne.
Italia informert i etterkant
– Terroristene som holdt dem fanget kom med svært klare trusler om å ta livene deres, også i videoen som ble lagt ut på internett, sier Cameron.
Den italienske regjeringen sier at den bare ble informert om redningsaksjonen etter at den hadde startet. Ifølge italienerne ringte Cameron til statsminister Mario Monti for å fortelle om det tragiske utfallet i etterkant.
De to drepte jobbet for det italienske entreprenørfirmaet B. Stabilini.
Familien til McManus uttaler at de er helt knust av nyheten, og kondolerer også overfor Lamolinaras familie.