หลังความพ่ายแพ้ยับเยินต่อพระภาติยะที่อันเดอนัก จักรพรรดิชาร์ลส์ได้ล้มป่วย อาการของพระองค์ทรุดหนักในระหว่างที่กำลังเดินทางกลับกอล การสวรรคตของพระองค์ถูกบันทึกไว้ว่าเกิดขึ้นในวันที่ 6 ตุลาคม ค.ศ. 877 ในระหว่างที่กำลังเดินทางข้ามเทือกเขามงเซอนีในเขตบรีเดอเลแบงซึ่งอยู่ไม่ไกลจากสถานที่เกิดของพระองค์ ร่างของพระองค์ถูกฝังในวิหารน็องตัว ทว่าต่อมาอาจถูกเคลื่อนย้ายไปที่มหาวิหารแซ็งเดอนีอันเป็นสถานที่พักผ่อนตลอดกาลที่พระองค์ต้องการ จักรพรรดิหลุยส์ผู้ติดอ่าง พระราชโอรสคนโตของจักรพรรดิชาร์ลส์เป็นทายาทที่ได้สืบทอดบัลลังก์ราชอาณาจักรแฟรงก์ตะวันตกต่อจากพระองค์