วันที่ 7 พฤศจิกายน พ.ศ. 2527 อุสตีนอฟไม่ได้เป็นประธานในการสวนสนามที่จัตุรัสแดงในวันครบรอบ 67 ปี การปฏิวัติเดือนตุลาคม จอมพล เซียร์เกย์ โซโคลอฟ รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงกลาโหมคนที่ 1 ทำหน้าที่แทนอุสตีนอฟทั้งตรวจสอบทหารและกล่าวสุนทรพจน์ อุสตีนอฟเป็นโรคปอดบวมในช่วงปลายเดือนตุลาคม การผ่าตัดฉุกเฉินจะต้องมีการดำเนินการเพื่อแก้ไขหลอดเลือดที่โป่งพองในลิ้นเอออร์ตา ตับและไตของเขาเสื่อมโทรมในภายหลัง ในที่สุดก็เสียชีวิต พิธีศพของเขาได้รับเกียรติให้เป็นพิธีศพของรัฐ เถ้าถ่านของเขาถูกฝังอยู่ในกำแพงเครมลิน 24 ธันวาคม พ.ศ. 2527