Năm 1974 Chu Ân Lai phải vào viện vì ung thư bàng quang, nhưng vẫn tiếp tục điều hành công việc từ bên trong bệnh viện, còn Đặng Tiểu Bình là Phó thủ tướng thứ nhất chịu trách nhiệm hầu hết các vấn đề quan trọng của Quốc vụ viện. Chu Ân Lai mất buổi sáng ngày 8 tháng 1 năm 1976, 8 tháng trước Mao Trạch Đông. Trong cuốn sách của mình, Mao: Câu chuyện chưa biết, Jung Chang (Trương Nhung) và Jon Halliday xác nhận rằng Mao cố tình không cho Chu Ân Lai chữa bệnh ung thư bởi ông không muốn Chu Ân Lai sống lâu hơn mình.[2] Nhiều quốc gia trong Phong trào không liên kết đã gửi lời chia buồn trước cái chết của Chu Ân Lai một nhà ngoại giao và nhà thương thuyết nổi tiếng trên trường quốc tế, nhiều nước coi cái chết của ông là một mất mát to lớn. Thi thể ông được hoả thiêu và tro được rải từ máy bay xuống các ngọn đồi và thung lũng, theo đúng nguyện vọng của ông.

Bên trong Trung Quốc, nhóm Bè lũ bốn tên (Giang Thanh và đồng bọn) coi cái chết của Chu là một thuận lợi lớn cho mưu đồ chính trị của họ, bởi vật cản lớn duy nhất còn lại trước ngôi báu quyền lực tuyệt đối ở Trung Quốc của họ đã mất. Sau đám tang Chu Ân Lai, Đặng Tiểu Bình đã có bài ca ngợi chính thức, nhưng sau này ông đã bị buộc rời bỏ chính trị sau cái chết của Mao.

Từ khi mất, một căn phòng tưởng niệm đã được dành riêng cho ông và người vợ yêu dấu tại Thiên Tân, được đặt tên là Phòng tưởng niệm Chu Ân Lai và vợ Thiên Tân (天津周恩來鄧穎超紀念館), và một bức tượng đã được dựng lên ở Thành phố Nam Kinh, nơi ông từng làm việc với Quốc Dân Đảng trong thập niên 1940. Một con tem quốc gia cũng được phát hành kỷ niệm một năm ngày mất của ông năm 1977, và một lần nữa năm 1998 kỷ niệm ngày sinh lần thứ 100 của ông.