Tháng 11 năm Mậu Dần (1818), Gia Long lâm bệnh,[313] ông hạ chiếu cho Thái tử Nguyễn Phúc Đảm thay ông quyết việc nước và cho gọi hai đại thần là Lê Văn Duyệt và Phạm Đăng Hưng đến hầu. Ông dặn Thái tử Đảm "Đấy là cơ nghiệp gian nan của trẫm, nay giao cho con, con nên cẩn thận giữ gìn... Ta cũng sắp chết, không nói gì, chỉ có một việc là ngày sau phải cẩn thận chớ nên gây hấn ngoài biên".[313] Rồi Gia Long sai Thái tử Đảm chép lại lời mình, Nguyễn Phúc Đảm chép một cách ngập ngừng ý muốn bỏ chữ "băng", Gia Long cầm bút viết luôn chữ đó vào.[364]

Bệnh ngày càng nặng dần, và Gia Long cố gắng giấu điều này.[291] Đây cũng là một trong nhiều nguyên nhân Gia Long bí mật triệu bác sĩ Treillard của tàu buôn Pháp Henri, khi này đang được mời để trị bệnh cho công chúa thứ chín,[365] vào cung chữa bệnh cho ông.[291] Treillard (có thể có cả sự giúp đỡ của bác sĩ J. M. Despiau, một bác sĩ người Pháp thân cận của vua Gia Long) bí mật điều trị cho nhà vua trong khoảng bốn tháng.[327] Và sau đó vị bác sĩ này cùng với đoàn người trên tàu Henri rời đi vào khoảng ngày 2 tháng 11 năm 1819.[291] Năm tháng sau đó, sức khỏe nhà vua ngày càng suy yếu dần và đến ngày 19 tháng 12 năm Kỷ Mão (tức ngày 3 tháng 2 năm 1820),[366] vua Gia Long qua đời, hưởng thọ 59 tuổi, ở ngôi 18 năm, miếu hiệu là Thế Tổ (世祖).[362]

Về nguyên nhân qua đời, nhà nghiên cứu-lương y Lê Hưng VKD sau khi nghiên cứu "ngự dược nhật ký" năm Kỷ Mão - 1819 (nhật ký ghi chép lại 94 lần kê toa (gồm 24 bài thuốc) của Thái y viện triều Nguyễn đã dùng để chữa bệnh cho Gia Long), cho rằng nhà vua có thể đã bị chứng xơ gan cổ chướng mà qua đời. Thời đó đây là bệnh không có cách chữa. Ông còn nhận xét "Phải chi thời đó có khả năng "cận lâm sàng" như hiện nay thì vị vua "khai sáng triều Nguyễn" đã có thể sống vượt qua năm Kỷ Mão 1819 (vì phát hiện được sớm bệnh trạng thuộc hệ tiêu hóa, do ký sinh trùng tai hại gây ra… tổn thương gan)".[367]

Gia Long được chôn cất tại Lăng Thiên Thọ (hay còn gọi là Lăng Gia Long), nằm ở núi Thiên Thọ, cách Huế khoảng 16 km về phía Tây Nam thuộc làng Định Môn, huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên. Khu lăng mộ được đích thân ông chọn và đốc thúc xây dựng từ năm 1814 và hoàn thành ít lâu sau khi ông qua đời vào năm 1820.[368] Cùng chôn ngay bên cạnh Gia Long trong khu lăng chính là Hoàng hậu Thừa Thiên, về sau bà Hoàng hậu Thuận Thiên được Minh Mạng chôn cất ở lăng Thiên Thọ Hữu, nằm ngay phía bên phải lăng chính.

Sách Hoàng tộc lược biên có viết:

Lăng của Ngài là lăng Thiên Thọ, thuộc địa phận làng Định Môn, huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên. Lăng Bà Thừa Thiên Cao Hoàng Hậu và Bà Thuận Thiên Cao Hoàng Hậu, nguyên phối và đệ Nhị phối của Ngài cũng đều táng tại vùng ấy cả. Ngài và hai Bà đều thờ tại Chánh án Thế Miếu và tại Chánh án điện Phụng Tiên ở Kinh Thành Nội.

Ngoài ra, Gia Long còn được thờ tại Chánh Án Miếu ở Thế Miếu trong Đại nội Kinh thành Huế. Về sau, vua Minh Mạng đặt thụy hiệu cho ông là Khai thiên Hoằng đạo Lập kỷ Thùy thống Thần văn Thánh vũ Tuấn đức Long công Chí nhân Đại hiếu Cao Hoàng đế (開天弘道立紀垂統神文聖武峻德隆功至仁大孝高皇帝).[369]