Sau khi có dấu hiệu không khỏe và sốt nhẹ vào ngày 23 tháng 6 năm 2015, ông được bác sĩ đến khám tại nhà và được thông báo bị thiếu máu. Sau đó, ông được nhập viện vào sáng thứngày 26 tháng 6 trong tình trạng còn khỏe và tỉnh táo. Sau 2 ngày nhập viện, ông bị hôn mê sâu và qua đời vào lúc 10 giờ 15 phút sáng ngày 29 tháng 6 tại [[bệnh viện Thống Nhất]] ([[Thành phố Hồ Chí Minh]]) vì [[sốt xuất huyết]]. Linh cữu của nhạc sĩ được quàn tại Nhà tang lễ Bộ Quốc phòng, Thành phố Hồ Chí Minh.<ref name="mất-TN"/><ref name="mất-TT"/> và lúc 4h30 sáng 10 tháng 7, gia đình, người thân, bạn bè, văn nghệ sĩ... đã rải tro cốt của ông về với [[sông Hàn]] ([[Đà Nẵng]]) theo di nguyện của cố nhạc sĩ.<ref>{{Chú thích web|url = http://dantri.com.vn/van-hoa/huong-linh-nhac-sy-phan-huynh-dieu-da-ve-voi-song-han-1096798.htm|title = Hương linh nhạc sĩ Phan Huỳnh Điểu đã về với sông Hàn}}</ref>
