ประเสริฐศรี เคยสมรสกับพลเอกชวลิต ยงใจยุทธ อดีตนายกรัฐมนตรี แต่ภายหลังได้เลิกรากันและไม่มีบุตรด้วยกัน[4]

ประเสริฐศรีป่วยด้วยโรคมะเร็งในสมองระยะสุดท้าย เธอเข้ารักษาตัวตั้งแต่วันที่ 19 ตุลาคม พ.ศ. 2555 ที่โรงพยาบาลราชวิถีโดยไม่มีลูกหลานคอยดูแล และกำลังเดือดร้อนเรื่องค่ารักษาพยาบาล ในการนี้ศิลปินร่วมวงการเพลงได้จัดคอนเสิร์ตการกุศลเพื่อนำเงินดังกล่าวสมทบทุนค่ารักษาพยาบาลของเธอ[5] และต่อมาทูลกระหม่อมหญิงอุบลรัตนราชกัญญา สิริวัฒนาพรรณวดีได้รับเธอไว้เป็นคนไข้ในพระอนุเคราะห์[6][7]

ประเสริฐศรีได้เสียชีวิตที่โรงพยาบาลราชวิถี เมื่อวันที่ 2 มีนาคม พ.ศ. 2556 หลังจากรักษาอาการป่วยจากโรคดังกล่าวมาเป็นเวลานาน[8]