นายถวัลย์ ดัชนี เริ่มป่วยด้วยโรคเบาหวานและความดันโลหิตสูง ตั้งแต่เมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2557 โดยเข้ารับการรักษาอาการป่วย ณ โรงพยาบาลรามคำแหง นานกว่า 3 เดือน จนเมื่อเวลา 02.15 น. ของวันที่ 3 กันยายน ปีเดียวกัน นายถวัลย์ ดัชนี ได้ถึงแก่กรรมด้วยอาการสงบ จากอาการตับวาย ซึ่งผู้เป็นลูกชาย คือ นายดอยธิเบศร์ ดัชนี ได้เขียนข้อความผ่านเฟสบุ๊คส่วนตัวว่าผู้เป็นพ่อได้เสียชีวิตลงแล้ว[5] ยังความเสียใจมาแก่เพื่อนร่วมงาน บุคคลต่าง ๆ ที่ชื่นชมผลงานของถวัลย์เป็นอย่างมากดร.ถวัลย์ ดัชนี มีโรคประจำตัวคือ เบาหวาน และความดัน เมื่อประมาณปี 2555 ได้เข้ารับการรักษาโรคต่อมลูกหมากโตซึ่งมีความเสี่ยงเป็นมะเร็ง ต่อมาเมื่อต้นปี 2557 ตรวจพบว่าเป็นโรคมะเร็งต่อมลูกหมากระยะสุดท้าย และในช่วงปลายเดือนมิถุนายนจึงเข้ารับการรักษาที่โรงพยาบาลอย่างจริงจัง จนกระทั่งพบว่าเชื้อมะเร็งลุกลามไปที่ตับและปอด มีอาการไตวาย จากนั้นอาการทรุดหนักจนกระทั่งถึงวาระสุดท้ายของชีวิต ในการนี้ กำหนดมีพิธีพระราชทานน้ำหลวงอาบศพ ในวันพฤหัสบดีที่ 4 กันยายน 2557 เวลา 13.00 น. ณ ศาลา 1 วัดเทพศิรินทราวาสราชวรวิหาร โดยท่านผู้หญิงบุตรี วีระไวทยะ ในฐานะผู้แทนพระองค์สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เป็นประธานในพิธี จากนั้นกำหนดจัดพิธีสวดพระอภิธรรมศพ ในระหว่างวันที่ 4 – 10 กันยายน เวลา 19.00 น. และมีพิธีพระราชทานเพลิงศพในวันพฤหัสบดีที่ 11 กันยายน 2557 เวลา 17.00 น. ณ เมรุวัดเทพศิรินทราวาสราชวรวิหารพระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานน้ำหลวงอาบศพ ในการนี้ สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จพระราชดำเนินไปในการพระราชทานน้ำหลวงอาบศพ นายถวัลย์ ดัชนี ณ ศาลา 1 (เตชะอิทธิพร) วัดเทพศิรินทราวาส เขตป้อมปราบศัตรูพ่าย กรุงเทพมหานคร เมื่อวันพฤหัสบดีที่ 4 กันยายน พ.ศ. 2557 เวลา 15.00 น.[6]สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จพระราชดำเนินไปในการพระราชทานเพลิงศพ นายถวัลย์ ดัชนี ณ เมรุด้านใต้ วัดเทพศิรินทราวาส เขตป้อมปราบศัตรูพ่าย กรุงเทพมหานคร เมื่อวันที่ 10 กันยายน 2557 เวลา 17.00 น.[7][8][9]