พระธรรมเจดีย์ (จูม พนฺธุโล) เริ่มอาพาธมาตั้งแต่ปี พ.ศ. 2504 จนถึงเดือน มีนาคม พ.ศ. 2505 คณะแพทย์โรงพยาบาลศิริราชได้ถวายการรักษา โดยการผ่าตัดก้อนนิ่วออก รักษาจนหายเป็นปกติแล้วเดินทางกลับวัดโพธิสมภรณ์ จังหวัดอุดรธานี ต่อมาปลายเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2505 ท่านเริ่มอาพาธอีก คณะแพทย์ซึ่งมี ศาสตราจารย์ นพ.อวย เกตุสิงห์ เป็นประธานได้นิมนต์ท่านเข้ารับการรักษาที่โรงพยาบาลศิริราช ท่านเดินทางเข้ากรุงเทพฯ เมื่อวันที่ 11 มิถุนายน 2505 โดยมีพระอาจารย์มหาบัว ญาณสมฺปนฺโน ร่วมเดินทางไปด้วย

ศาสตราจารย์ นายแพทย์อวย เกตุสิงห์ ได้ถวายการรักษาด้วยการผ่าตัด ถุงน้ำดีมีก้อนนิ่ว 11 เม็ด อาการดีขึ้นเพียง 3 วัน ต่อจากนั้นอาการก็ทรุดลง ต้องให้ออกซิเจนและน้ำเกลือ วันที่ 9 กรกฎาคม 2505 พระธรรมเจดีย์ก็ถูกเวทนาอันแรงกล้า ครอบงำ แต่ท่านก็มิได้แสดงอาการใด ๆ ให้ปรากฏ จนกระทั่งวันที่ 11 กรกฎาคม 2505 พระธรรมเจดีย์ก็ถึงแก่มรณภาพด้วยอาการอันสงบ เมื่อเวลา 15.27 น. ณ โรงพยาบาลศิริราช สิริอายุได้ 74 ปี 2 เดือน 15 วัน พรรษา 55