สมเด็จพระมหาสมณเจ้า กรมพระยาปวเรศวริยาลงกรณ์ ประชวรด้วยต้อกระจกจนทำให้พระเนตรบอด[3] ต่อมาทรงพระประชวรด้วยพระโรคชราตั้งแต่วันที่ 13 กันยายน พ.ศ. 2435 ทำให้พระบังคนหนักไม่ได้ และรู้สึกหนาวพระวรกาย ถึงวันที่ 17 ทรงพระอาเจียน เสวยไม่ค่อยได้ บรรทมไม่หลับ ถึงวันที่ 21 เป็นวันอุโบสถ มีพระประสงค์จะลงอุโบสถ เพราะนับแต่ผนวชมาทรงลงอุโบสถเสมอไม่เคยขาด พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเกรงว่าหากเสด็จไปพระอาการจะทรุดลงจึงโปรดอุทิศพระตำหนักนั้นเป็นอุโบสถ เพื่อให้ทรงได้ทำอุโบสถตามพระประสงค์ วันต่อ ๆ มาพระอาการยังคงทรุดลงตามลำดับ จนกระทั่งสิ้นพระชนม์เมื่อวันที่ 28 กันยายน พ.ศ. 2435 เวลา 23:03 น.[6] พระชันษาได้ 83 ปี 13 วัน ผนวชเป็นพระภิกษุได้ 64 พรรษา

พระศพประดิษฐานอยู่ ณ พระตำหนัก นานถึง 8 ปี จึงพระราชทานเพลิงพระศพ ณ พระเมรุท้องสนามหลวง เมื่อวันที่ 16 มกราคม พ.ศ. 2443[7]