Do hút thuốc nhiều và lâu, Gardner bị bệnh khí thũng (emphysema), ngoài ra còn bị rối loạn hệ miễn nhiễm tự động (autoimmune) (có thể đã dẫn tới bệnh lupus). Sau 2 cơn đột quỵ năm 1986, khiến cho bà bị liệt từng phần và nằm liệt giường, Frank Sinatra trả chi phí thuốc thang cho bà (50.000$). Những lời cuối cùng của bà (với bà quản gia Carmen) trước khi qua đời vì bệnh viêm phổi ở tuổi 67, là: "Tôi mệt quá". Sau khi bà qua đời, một trong số con gái của Frank Sinatra tìm thấy cha mình sụp xuống trong phòng riêng, kêu gào, và không thể nói nên lời. Gardner không chỉ là tình yêu suốt đời, nhưng còn là nguồn cảm hứng cho một trong các ca khúc riêng tư của ông ta, "I'm a Fool to Want You", trong đó Sinatra (có tên đồng tác giả bài hát) đã được thâu vào đĩa 2 lần, vào khoảng lúc kết thúc hợp đồng với hãng đĩa Columbia Records và trong các năm ông ta làm việc ở hãng Capitol Records. Theo như tin tường thuật thì có một xe limousine màu đen đơn độc đậu sau đám đông khoảng 500 người dự đám tang của Ava. Không ai ra khỏi xe này, nhưng dường như người đưa đám giấu tên đó đúng là Frank Sinatra. Một vòng hoa nơi mộ của Gardner với dòng chữ đơn giản: "With My Love, Francis".[cần dẫn nguồn]