13 มีนาคม พ.ศ. 2535 มีข่าวปรากฏตามหน้าหนังสือพิมพ์ว่า พุ่มพวงทะเลาะกับสามี และป่วยเป็นโรคไตขั้นรุนแรง จนต้องเข้าโรงพยาบาลแห่งหนึ่ง แต่ไม่สามารถเบิกเงินจากธนาคารเพื่อมารักษาตัวเองได้ (ซึ่งมีอยู่ 6 ล้านบาท) สมุดบัญชีอยู่กับไกรสร (สามี) ที่เชียงใหม่ เธอจึงตัดสินใจสั่งอายัดเงินทั้งหมด ต่อมา 20 มีนาคม เธอเดินทางจากเชียงใหม่ เข้ารักษาตัวเองที่โรงพยาบาลตากสิน จันทบุรี และย้ายไปที่โรงพยาบาลศิริราช แพทย์ตรวจพบว่าเธอป่วยด้วยโรคเอสแอลอีหรือโรคแพ้ภูมิตัวเอง อาการขั้นรุนแรง ลุกลามถึงไต ทางด้านไกรสรออกมายอมรับว่ามีปัญหาครอบครัวจริง ต่อมา 3 เมษายน แพทย์เจ้าของไข้เปิดเผยว่าพุ่มพวงอาการดีขึ้น ทางด้านญาติของพุ่มพวงมีความเห็นว่าควรรักษาด้วยไสยศาสตร์ เนื่องจากเชื่อว่าถูกปองร้ายด้วยไสยศาสตร์ด้วยวิธีการคุณไสย ต่อมาวันที่ 13 มิถุนายน พ.ศ. 2535 เดินทางออกจากโรงพยาบาลศิริราชเพื่อไปรักษาด้วยวิธีทางไสยศาสตร์ ไปจังหวัดพิษณุโลกโดยเดินทางด้วยรถตู้ แต่หลังจากกราบไหว้พระพุทธชินราช เมื่อเวลาประมาณ 13.00 น. ก็เกิดอาการช็อกและหมดสติ ญาตินำส่งโรงพยาบาลพุทธชินราช กระทั่งถึงแก่กรรมอย่างสงบเมื่อเวลา 20.55 น.

ได้สวดอภิธรรมศพที่วัดมกุฏกษัตริยาราม พิธีพระราชทานเพลิงศพของพุ่มพวง ดวงจันทร์ จัดที่วัดทับกระดาน อำเภอสองพี่น้อง จังหวัดสุพรรณบุรี เมื่อวันที่ 25 มิถุนายน พ.ศ. 2535 โดยสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา สยามบรมราชกุมารี เสด็จพระราชดำเนินเป็นองค์ประธานในพิธี นอกจากนี้ยังมีการสร้างหุ่นพุ่มพวง ตั้งอยู่ในศาลาริมสระน้ำ วัดทับกระดาน อำเภอสองพี่น้อง จังหวัดสุพรรณบุรี ซึ่งมีการจัดงานรำลึกถึงพุ่มพวงทุกปี ช่วง 13-17 มิถุนายน ของทุกๆปี ซึ่งเป็นวันครบรอบการเสียชีวิตของเธอ