พระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้าพรรณราย ประทับในพระบรมมหาราชวังมาโดยตลอด จนเมื่อสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ากรมพระนริศรานุวัดติวงษ์ ได้รับพระราชทานวังท่าพระแล้ว พระองค์จึงได้ออกจากพระราชวังมาประทับร่วมวังพระโอรสตั้งแต่ปี พ.ศ. 2428[11]

พระสัมพันธวงศ์เธอ พระองค์เจ้าพรรณราย ประชวรพระโรคบิด และสิ้นพระชนม์เมื่อวันจันทร์ที่ 22 มิถุนายน ปีขาล พ.ศ. 2457 เวลา 20:30 น. สิริพระชันษา 700176000000000000076 ปี 700144000000000000044 วัน วันต่อมา เวลาบ่าย 5 โมงเศษ สมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ เจ้าฟ้ากรมพระยาภาณุพันธุวงศ์วรเดช เสด็จแทนพระองค์ในการพระราชทานน้ำสรงพระศพ เมื่อสมเด็จพระศรีพัชรินทราบรมราชินีนาถ พระบรมราชชนนีพันปีหลวง และพระบรมวงศานุวงศ์ สรงพระศพตามลำดับ เจ้าพนักงานประจุกรรมเสร็จแล้วเชิญพระศพลงพระลอง ตั้งบนแว่นฟ้า 2 ชั้น ประกอบพระโกศไม้สิบสอง ตั้งเครื่องราชอิสริยยศและเครื่องสูง สมเด็จเจ้าฟ้ากรมพระยาภาณุพันธุวงศ์วรเดชทรงทอดผ้าไตร 20 ผ้าขาว 40 พับ พระสงฆ์สดับปกรณ์ พระพิธีธรรมสวดพระอภิธรรม มีกำหนด 1 เดือน[12]