สมเด็จพระราชินีแมรีที่ 1 เสด็จสวรรคตในวันที่ 17 พฤศจิกายน พ.ศ. 2101 สิริพระชนมพรรษาได้ 42 พรรษา ที่พระราชวังเซนต์เจมส์ การสวรรคตของพระนางถูกพิจารณาว่าสาเหตุเนื่องมาจากการพยายามมีทายาทของพระนาง ทั้งที่ไม่เคยมีเพศสัมพันธ์แต่พระนางคิดว่าตัวพระนางเองมีบุตรจึงเกิดภาวะครรภ์เทียมทำให้ร่างกายเสื่อมโทรมลงเรื่อย ๆ จนสวรรคตแต่การสวรรคตของพระองค์ยังสรุปไม่ได้ว่าสวรรคตด้วยภาวะครรภ์เทียมหรือทรงเป็นเนื้องอกในมดลูก ผู้สืบราชบัลลังก์ต่อจากพระนางคือพระขนิษฐาต่างมารดา เจ้าหญิงเอลิซาเบธซึ่งต่อมาเป็นสมเด็จพระราชินีนาถเอลิซาเบธที่ 1 แห่งอังกฤษ