13 มีนาคม พ.ศ. 2535 มีข่าวปรากฏตามหน้าหนังสือพิมพ์ว่า พุ่มพวงทะเลาะกับสามี และป่วยเป็นโรคไตขั้นรุนแรง จนต้องเข้าโรงพยาบาลแห่งหนึ่ง พบว่าเธอป่วยด้วยโรคเอสแอลอีขั้นรุนแรง ลุกลามถึงไต[ต้องการอ้างอิง] ต่อมา 3 เมษายน แพทย์เจ้าของไข้เปิดเผยว่าพุ่มพวงอาการดีขึ้น[ต้องการอ้างอิง] ญาติเห็นว่าควรรักษาด้วยไสยศาสตร์ เพราะเชื่อว่าถูกคุณไสย ต่อมาวันที่ 13 มิถุนายน 2535 เดินทางออกจากโรงพยาบาลศิริราชไปจังหวัดพิษณุโลก แต่หลังจากกราบไหว้พระพุทธชินราช แต่ไม่ทันถึงก็เสียชีวิตเมื่อเวลา 20.55 น.[ต้องการอ้างอิง]

พิธีศพของพุ่มพวง ได้จัดขึ้นที่ พลับพลาพิมพวดี วัดมกุฏกษัตริยาราม ในการนี้ พระบาทสมเด็จพระมหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร สมเด็จพระนางเจ้าสิริกิติ์ พระบรมราชินีนาถ และพระบรมวงศานุวงศ์ ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ พระราชทานพวงมาลาวางที่หน้าศพ โดยทรงพระอนุสรณ์ถึงราชินีเพลงลูกทุ่งผู้ล่วงลับ พิธีพระราชทานเพลิงศพของพุ่มพวง ดวงจันทร์ จัดที่วัดทับกระดาน อำเภอสองพี่น้อง จังหวัดสุพรรณบุรี เมื่อวันที่ 25 กรกฎาคม พ.ศ. 2535 โดยสมเด็จพระเทพรัตนราชสุดา สยามบรมราชกุมารี เสด็จพระราชดำเนินเป็นองค์ประธานในพิธี นอกจากนี้ยังมีการสร้างหุ่นพุ่มพวง ตั้งอยู่ในศาลาริมสระน้ำ วัดทับกระดาน อำเภอสองพี่น้อง จังหวัดสุพรรณบุรี ซึ่งมีการจัดงานรำลึกทุกปี ช่วง 13-17 มิถุนายน[ต้องการอ้างอิง]