พระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสี สิ้นพระชนม์เมื่อวันอังคาร เดือน 4 ขึ้น 6 ค่ำ ปีมะโรงจัตวาศก จ.ศ. 1254 ตรงกับวันที่ 21 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2435 สิริพระชันษา 2 ปี สร้างความเสียใจแก่เจ้าจอมมารดาดารารัศมีเป็นอันมาก แม้แต่พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเองก็ทรงเสียพระทัยมากนัก ทรงปรารภกับสมเด็จพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระยาดำรงราชานุภาพว่า "ฉันผิดเอง ลูกเขาควรเป็นเจ้าฟ้าแต่ฉันลืมตั้งจึงตาย"[8] มีการโจษจันกันว่าพระองค์ถูกพระพี่เลี้ยงวางยาพิษเพื่อหวังเครื่องแต่งพระองค์ แต่ข่าวลือดังกล่าวก็ถูกปฏิเสธ เพราะเจ้าจอมมารดาดารารัศมีก็กล่าวถึงพระอาการประชวรของพระราชธิดาไว้ชัดแจ้ง[4]

อย่างไรก็ตามแม้ว่าพระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสีจะสิ้นพระชนม์ไปแล้ว แต่พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวก็ยังไม่สิ้นพระกรุณากับเจ้าจอมมารดาดารารัศมี ในปี พ.ศ. 2451 ก็ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าสถาปนาเจ้าจอมมารดาดารารัศมีขึ้นเป็นเจ้าในราชวงศ์จักรีดำรงพระอิสริยยศเป็น "พระราชชายา"[9]

ส่วนพระอัฐิของพระเจ้าบรมวงศ์เธอ พระองค์เจ้าวิมลนาคนพีสี ถูกประดิษฐานเคียงคู่กับพระอัฐิของเจ้าดารารัศมี พระราชชายา ณ สุสานหลวง วัดราชบพิธสถิตมหาสีมารามราชวรวิหาร