หลังให้กำเนิดพระโอรสธิดามากมายสุขภาพของเลโอนอร์เริ่มทรุดโทรมลง ใน ค.ศ. 1287 ระหว่างอยู่ในกัสกอญทรงป่วยเป็นไข้จับสั่น ซึ่งคาดว่าน่าเป็นโรคมาลาเรียสายพันธุ์ร้ายแรง ในฤดูใบไมผลิของ ค.ศ. 1290 ข่าวการสิ้นพระชนม์ของมาร์กาเร็ต สาวน้อยแห่งนอร์เวย์ ทายาทแห่งสกอตแลนด์มาถึงราชสำนัก พระเจ้าเอ็ดเวิร์ดเข้าร่วมการประชุมสภานิติบัญญัติที่นอตทิงแฮมเชอร์และตัดสินใจพำนักอยู่ในทางตอนเหนือของอังกฤษต่อ เลโอนอร์ติดตามพระสวามีขึ้นเหนืออย่างไม่รีบร้อน ระหว่างที่สองสามีภรรยากำลังมุ่งหน้าไปยังลิงคอล์น พระราชินีเลโอนอร์ล้มป่วยเป็นไข้ คาดว่าไข้จับสั่นที่พระนางเคยเป็นใน ค.ศ. 1287 อาจกำเริบ อาการของพระนางทรุดลงเมื่อทั้งคู่ไปถึงหมู่บ้านฮาร์บีย์ในนอตทิงแฮมเชอร์ซึ่งอยู่ห่างจากลิงคอล์น 22 ไมล์ ทรงสิ้นพระชนม์ที่นั่นในบ่ายของวันที่ 28 พฤศจิกายน ค.ศ. 1290 ด้วยวัย 49 พรรษา พระเจ้าเอ็ดเวิร์ดอยู่ที่เตียงสิ้นพระชนม์และโศกเศร้าอย่างมากกับการสูญเสียครั้งนี้

การสิ้นพระชนม์ของพระนางส่งผลกระทบอย่างมากต่อพระเจ้าเอ็ดเวิร์ดที่ 1 ผู้ไม่เคยสะทกสะท้านต่อสิ่งใด ในเดือนมกราคม ค.ศ. 1291 พระองค์ได้เขียนจดหมายเพื่อหาคนมาสวดมนต์ให้แก่ดวงวิญญาณของพระมเหสีผู้ล่วงลับ "ผู้เป็นที่รักยิ่งของเราในยามที่มีวิต และผู้ที่ความตายไม่สามารถบั่นทอนความรักของเราได้" หลังการสิ้นพระชนม์ร่างของพระนางถูกนำไปทำการดองศพที่ศาสนสำนักนักบุญแคทเธอรีนในลิงคอล์น การดองศพในคริสต์ศตวรรษที่ 13 จะมีการควักอวัยวะภายในออกมา เครื่องในและอวัยวะภายในของเลโอนอร์ถูกฝังไว้ในอาสนวิหารลิงคอล์น ขณะที่หัวใจและร่างถูกนำไปลอนดอนเพื่อฝังที่วิหารเวสต์มิสเตอร์[5] ขบวนแห่พระศพอันยิ่งใหญ่จากลิงคอร์นสู่ลอนดอนใช้เวลาเดินทาง 12 วันผ่านทางแยกสิบสองแห่ง พระเจ้าเอ็ดเวิร์ดได้สั่งให้สร้างอนุสาวรีย์ "แยกเลโอนอร์" อันโด่งดังเพื่อเป็นที่ระลึกถึงพระมเหสีผู้ล่วงลับที่ทางแยกทั้งสิบสองแห่ง คือ ลิงคอล์น, แกรนแธม, สแตมฟอร์ด, เก็ดดิงตัน, ฮาร์ดิงสโตนใกล้กับนอร์แทมป์ตัน, สโตนีสแตร็ตฟอร์ด, โวเบิร์น, ดันสเตเบิล, เซนต์อัลบันส์, วอลแธม, เวสต์ชีพ และเชอริง (เพี้ยนมาจาก เชอร์ เรน์ ครอส - แยกราชินีผู้เป็นที่รัก) ปัจจุบันอนุสาวรีย์ที่ศาสนสำนักของนักบุญแคทเธอรีนซึ่งตั้งอยู่ที่ปราสาทลินคอล์นหลงเหลืออยู่เพียงบางส่วน ขณะที่อีกแห่งในเก็ดดิงตัน, ฮาร์ดิงตัน และวอลแธมยังคงสภาพสมบูรณ์ ทั้งยังมีอนุสาวรีย์จำลองอยู่ในที่อื่นๆ เช่นที่แบนบรี พิธีฝังศพของเลโอนอร์ในวิหารเวสต์มินสเตอร์ถูกจัดขึ้นในวันที่ 17 ธันวาคม ค.ศ. 1290

หลังพระราชินีเลโอนอร์สิ้นพระชนม์ได้สิบปีพระเจ้าเอ็ดเวิร์ดอภิเษกสมรสใหม่กับมาร์เกอรีตแห่งฝรั่งเศส พระธิดาของพระเจ้าฟีลิปที่ 3 แห่งฝรั่งเศส พระธิดาคนเดียวของทั้งคู่ถูกตั้งชื่อว่าเอลิเนอร์เพื่อเป็นการระลึกถึงอดีตพระมเหสี (เอลิเนอร์ในภาษาอังกฤษ = เลโอนอร์ในภาษาสเปน) หลังพระองค์สิ้นพระชนม์ใน ค.ศ. 1307 ผู้สืบทอดตำแหน่งต่อจากพระองค์คือเอ็ดเวิร์ดแห่งคายร์นาร์วอน พระโอรสที่เกิดจากเลโอนอร์เพียงคนเดียวที่ยังมีชีวิตอยู่