สมเด็จพระพุทธชินวงศ์ อาพาธด้วยโรคไตวายเรื้อรัง ปอดอักเสบ หลอดเลือดหัวใจตีบ เบาหวาน เข้ารับรักษาอาการอาพาธตั้งแต่วันที่ 3 มิถุนายน พ.ศ. 2550 ต่อมาเกิดอาการปอดติดเชื้ออย่างรุนแรงและลุกลามเข้าสู่กระแสเลือด และมรณภาพเมื่อวันที่ 3 มกราคม พ.ศ. 2551 เวลา 07:53 น.[15] ที่ห้องซีซียู ตึกอัษฎางค์ ชั้น 3 โรงพยาบาลศิริราช สิริรวมอายุ 81 ปี 6 เดือน พรรษา 61

สมเด็จพระเทพรัตนราชสุดาฯ สยามบรมราชกุมารี เสด็จฯประกอบพิธีพระราชทานน้ำหลวงสรงศพสมเด็จพระพุทธชินวงศ์ เมื่อวันที่ 4 มกราคม พ.ศ. 2551ณ วัดมกุฎกษัตริยาราม พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวได้พระราชทานพิธีสวดพระอภิธรรมในพระบรมราชานุเคราะห์ ระหว่างวันที่ 4-10 มกราคม พ.ศ. 2551 พระราชทานเพลิงศพ สมเด็จพระพุทธชินวงศ์ (ประจวบ กนฺตาจารเถร) ในวันเสาร์ที่ 14กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2552เวลา 16.00 น. ณ เมรุหลวงหน้าพลับพลาอิศริยาภรณ์ วัดเทพศิรินทราวาส กรุงเทพมหานคร