ตั้งแต่พระอาการทรุดหนักลงในมือหมอบรัดเลย์ พระชีพจรก็เต้นเร็วมากขึ้น ถึงวันที่ 27 กันยายน จับเฟือนพระสติ มีหมอชาวบ้านชราผู้หนึ่งรับอาสาฉลองพระเดชพระคุณด้วยยาศักดิ์สิทธิ์จนสุดกำลังแต่ขอตรวจพระอาการก่อน ก็ได้พระบรมราชานุญาตให้เข้าเฝ้าและตรวจตรา แต่หมอเฒ่าเข้าใจพระโรคผิด อ้างว่าพระโรคอันบานปลายนั้นเป็นเพราะรักษาผิดคัมภีร์ภาคครรภรักษา โดยพระองค์บรรทมเพลิงน้อยไป หมอเฒ่าสมัครจะรักษาด้วยยาศักดิ์สิทธิ์ให้ทรงหายเป็นปลิดทิ้ง หลังการยืนยันคำพูดอย่างมั่นคงของหมอเฒ่านี้ สมเด็จพระนางเธอ พระองค์เจ้าโสมนัสวัฒนาวดีสิ้นพระชนม์ ในวันที่ 10 ตุลาคม พ.ศ. 2395 ราว 18.00 นาฬิกา ยังความเศร้าโศกเสียใจแก่เหล่าข้าราชบริพารยิ่งนัก

มีการถวายน้ำสรงพระศพและทรงเครื่องขัตติยมราภรณ์ศุกลัมตามพระราชประเพณี สมพระเกียรติยศพระอัครมเหสีอันสูงศักดิ์อย่างเต็มที่ ห่อด้วยกัปบาสิกะเศวตพัสตร์หลายชั้น แล้วเชิญลงพระลองทองและสวมพระชฎากษัตริย์เหนือพระศิโรเพศประกอบพระโกศทองแห่จากพระตำหนักพระอัครมเหสีในคืนนั้นสู่พระที่นั่งดุสิตมหาปราสาท ในพระบรมมหาราชวัง ประดิษฐานไว้เหนือพระแท่นแว่นฟ้าตรงที่ตั้งพระบรมศพพระบาทสมเด็จพระนั่งเกล้าเจ้าอยู่หัว ซึ่งประดิษฐานอยู่ไตรรัตน์มาส คือ ตั้งแต่เดือนเมษายน พ.ศ. 2394 จนกระทั่งเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2395 พระศพสมเด็จพระนางเธอ พระองค์เจ้าโสมนัสวัฒนาวดีก็ประดิษฐานไว้โดยมหศักดิ์สมพระเกียรติยศอย่างสูงประดับรอบล้อมไปด้วยสรรพสิ่งอลงกตทั้งปวงที่เฉลิมพระอิสริยยศ กระทั่งพระราชทานเพลิง ซึ่งกินเวลาราว 4-5 เดือน เนื่องจากมีการสร้างพระเมรุมาศและประกอบการพระราชพิธีสมพระอิสริยศักดิ์เมื่อวันที่ 19 มีนาคม พ.ศ. 2395 (นับแบบปัจจุบันคือ พ.ศ. 2396)

เมื่อสมเด็จพระนางเธอ พระองค์เจ้าโสมนัสวัฒนาวดีสิ้นพระชนม์แล้ว บรรดาแพทย์ไทย จีน และอเมริกา ลงความเห็นกันว่ามูลเหตุพระโรคซึ่งยากที่จะบำบัดอย่างยิ่งและถึงทำลายพระชนม์ชีพในที่สุดนั้นได้ปรากฏขึ้นโดยลับ ๆ มาแต่ก่อนราชาภิเษกสมรส ด้วยทรงอวบพระองค์ผิดธรรมดาสตรีในวัยเดียวกัน และกลับซูบพระวรกายลงทันที ทั้งทรงพระกาสะตั้งแต่แรกเริ่มประชวร ภายหลังมาปรากฏขึ้น แต่วันที่ 25 มิถุนายน พ.ศ. 2395 ด้วยเหตุที่พระองค์กำพร้าพระบิดาและได้มาเป็นพระราชธิดาบุญธรรมของพระมหากษัตริย์โดยเดชะพระมหากรุณาธิคุณ พระองค์จึงเป็นผู้รับพระมรดก ทั้งสวิญญาณกทรัพย์และอวิญญาณกทรัพย์ที่เป็นของพระชนกและพระปิตุจฉา พระองค์ไม่มีพระภาดาหรือพระภคินีร่วมหรือต่างพระชนนีแม้แต่พระองค์เดียว จึงไม่มีทายาทผู้รับพระมรดก พระมรดกจำต้องตกเข้าพระคลังหลวง เมื่อเสร็จพระราชพิธีถวายพระเพลิงแล้ว พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวได้ตกลงพระราชหฤทัยว่าพระสมบัติของพระอัครมเหสีส่วนหนึ่งเป็นเงินจำนวนมากจะจ่ายเพื่อเพิ่มพูนทักษิณกุศล บูรณะสังฆาวาสของพระบิดา และพระปิตุจฉาของพระอัครมเหสี (วัดเทพธิดา) แต่อีกส่วนหนึ่งจะจ่ายสร้างพระอารามใหม่ที่เขตกำแพงเมืองใหม่ ในพระนามาภิไธยของพระอัครมเหสีว่า “วัดโสมนัสวิหาร” และที่เหลือนอกจากนั้นจะจ่ายบุรณะปฏิสังขรณ์พระอาราม อันจำเป็นต้องช่วยเหลือเพื่อสาธารณประโยชน์

หลังการสิ้นพระชนม์ของพระองค์ เจ้าจอมมารดางิ้วผู้เป็นพระมารดาได้ลาออกจากพระบรมมหาราชวังไปพำนักอยู่กับพระยาราชภักดีศรีรัตนสมบัติบวรพิริยพาหะ (ทองคำ สุวรรณทัต) ผู้เป็นพี่ชาย[2]

ต่อมาในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 6 มีพระบรมราชโองการให้ออกพระนามาภิไธยของพระองค์ว่า "สมเด็จพระนางเจ้าโสมนัสวัฒนาวดี" ตามที่เป็นสมเด็จพระอัครมเหสีในรัชกาลที่ 4 หากแต่มิได้เป็นพระราชชนนีในพระมหากษัตริย์รัชกาลต่อ ๆ มา อนึ่งสมเด็จพระนางเธอ พระองค์เจ้าโสมนัสวัฒนาวดี มีศักดิ์เป็นญาติกับเจ้าจอมมารดาเขียน ในรัชกาลที่ 4[7] พระมารดาในพระเจ้าบรมวงศ์เธอ กรมพระนราธิปประพันธ์พงศ์