พระนางเจ้าสุวัทนา พระวรราชเทวี มีพระพลานามัยแข็งแรง หลังจากทรงเข้ารับการผ่าตัดกล่องพระสกุล (มดลูก) ที่ประเทศอังกฤษแล้ว ก็ไม่เคยเข้าโรงพยาบาลอีก ต่อมามีพระอาการประชวรตามพระชันษา โดยพระอาการเริ่มแสดงตั้งแต่พระชันษา 70 ปี โดยในปีนั้นมีการเรียกร้องทางการเมือง ทำให้ทรงระลึกถึงเหตุการณ์การเปลี่ยนแปลงการปกครอง พ.ศ. 2475 ที่ทำให้ทรงต้องย้ายที่ประทับครั้งแล้วครั้งเล่า ทำให้ประชวรด้วยพระโรคอัลไซเมอร์ โดยเหมือนพระองค์ทรงย้อนเวลากลับไปในอดีต ทรงกวดขันพระราชธิดาราวกับพระราชธิดายังทรงพระเยาว์ ในตอนแรกก็ทรงควบคุมพระสติได้ แต่ต่อมาก็ทรงมีพระอาการทรุดลง โดยทรงจำรหัสตู้นิรภัยไม่ได้และทรงสลับเอกสารระหว่างกระเป๋าถือกับกระเป๋าทรงสำอาง ในคราวหนึ่งนางสนองพระโอษฐ์ของสมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ มาเยี่ยมพระอาการ พระองค์ก็เสด็จลงมารับตามปกติ แต่พอถึงกลางบันไดกลับทรงนั่งลงอยู่ประมาณ 10 นาที นางสนองพระโอษฐ์ผู้นั้นจึงแจ้งแพทย์ประจำพระองค์ ต่อมาทรงเข้ารับการรักษาและพบว่าพระวักกะ (ไต) พิการ เมื่อพระอาการทุเลาลงจึงเสด็จกลับ ต่อมาประชวรด้วยพระโรคอัลไซเมอร์ จนกระทั่งทรงจำข้าหลวงที่ทรงชุบเลี้ยงมาตั้งแต่เยาว์วัยได้ ต่อมาประชวรพระปับผาสะ (ปอด) อักเสบ คณะแพทย์จากโรงพยาบาลศิริราชได้ถวายการรักษาและเฝ้าระวังพระอาการอย่างใกล้ชิด โดยมีพลเอกประพัทธ์ กุวานนท์ ราชองครักษ์ประจำพระองค์และราชเลขานุการส่วนพระองค์ ซึ่งเป็นพระญาติของพระองค์ด้วย รับสนองพระบัญชาโดยตลอด

ในเวลาต่อมาพระนางเจ้าสุวัทนา พระวรราชเทวี เริ่มมีพระอาการพระปัปผาสะ (ปอด) อักเสบ มีรับสั่งน้อยลง แต่ทรงทราบกิจทุกเรื่อง คณะแพทย์จึงได้ถวายพระโอสถ มีพยาบาลมาดูแลตลอด 24 ชั่วโมง ต่อมาพระองค์ประชวรด้วยพระอาการแทรกซ้อนภายในพระปัปผาสะ คณะแพทย์ได้ถวายการรักษาจนสุดความสามารถ จนสิ้นพระชนม์