Từ năm 1667, Henrietta đã có triệu chứng đau bụng. Từ tháng 4 năm 1670, bà đã chỉ có thể uống sữa mà không thể ăn bất cứ cái gì khác[23]. Sau khi trở về Pháp ngày 26 tháng 6, Henrietta đã cùng chồng mình trú tạm tại Château de Saint Cloud.

Vào ngày 29 tháng 6, lúc 5 giờ chiều, Henrietta uống một ly cải ô rô lạnh. Và theo như những gì ghi nhận lúc ấy, bà lập tức cảm thấy đau đớn dữ dội và la hét: ["Ah! Đau quá! Làm sao đây?! Ta chắc chắn đã bị đầu độc rồi!!!"][24]. Henrietta quả quyết nhận mình bị đầu độc, và ra lệnh cho người khác khám xét truy tìm thuốc giải cũng như xét nghiệm món nước mình vừa uống, trong khi bà được các bác sĩ cứu chữa dựa theo phỏng đoán đau bụng và bị đầu độc. Khi nghe tin sự việc, triều đình Pháp ngay lập tức đến Saint Cloud, Giám mục Jacques-Bénigne Bossuet đã được triệu gọi và bắt đầu nghi thức sức dầu thánh hấp hối theo truyền thống. Sang 2 giờ sáng, ngày 30 tháng 6, Henrietta của Anh qua đời, khi chỉ mới 26 tuổi[19]. Nghi án đầu độc Henrietta lập tức dấy lên, những thủ phạm tình nghi có Chevalier de Lorraine, Marquis d'Effiat hay thậm chí là Elizabeth Charlotte, Madame Palatine[25] cùng Công tước xứ Saint-Simon[26]. Đặc biệt nhất là Chevalier de Lorraine, người được đương thời đánh giá là "ngạo mạn và tham vọng", từ trước, theo Jacqueline Duchêne, Chevalier de Lorraine và Henrietta đã có va chạm gay gắt do Chevalier de Lorraine là tình nhân của chồng bà. Sau cùng, 11 bác sĩ người Pháp, 2 bác sĩ người Anh đã thông cáo cho Đại sứ Anh cùng hơn 100 người chứng kiến rằng, nguyên nhân tử vong của Henrietta là do chứng viêm dạ dày, trong khi nhiều người xì xào và không tin tưởng khẳng định này[23].

Dù thế nào đi nữa, cái chết của Henrietta quả thật đã dấy lên nghi ngờ và đồn đoán khắp triều đình Pháp trong thời gian ấy. Vua Louis XIV từng muốn thực nghiệm giám định pháp y xác của bà, song vì không muốn xúc phạm đến thân xác do vị thế của Henrietta, cuối cùng vẫn không thể hoàn toàn hoàn thành. Tin đồn và "câu chuyện đầu độc Henrietta" trôi nổi khắp nước Pháp, thậm chí Madame Palatine còn ghi lại vào cuốn hồi ký của mình viết về Henrietta. Câu chuyện này được thêm bởi Jacqueline Duchêne, Công tước Orléans có lẽ đã biết hung thủ là một tình nhân của mình, song vẫn quyết định giấu kín. Mặc dù vậy, bạn của Henrietta là Madame de la Fayette trong hồi ký về bà cũng khẳng định ngay trước khi qua đời, Henrietta đã có biểu hiện của cơn đau bụng kéo dài và trông không khỏe chút nào. Ghi chép của Madame la Fayette minh chứng đây là triệu chứng viêm phúc mạc. và dù cái chết của Henrietta cho đến nay vẫn không chắc chắn, song dựa vào những biểu hiện và ghi chép của Madame la Fayette, thì hiển nhiên bà qua đời vì một triệu chứng bệnh lý y học bình thường hơn là những giả thiết về việc bị hạ độc.

Vào ngày 4 tháng 7, lễ tang long trọng của Henrietta được cử hành tại Vương cung thánh đường Thánh Denis, sau đó sang ngày 21 tháng 7 thì tiếp tục tổ chức một buổi lễ cầu nguyện khác. Những viên chức thuộc hàng cao cấp nước Pháp như đoàn thể cấp cao gồm Nghị viện, Hội đồng Tu sĩ và Hội đồng thành phố đã đến dự tang lễ của bà. Vương hậu Maria Theresa có mặt để thay mặt cho Jan II Casimir Vasa, Vua của Ba Lan, cùng ngài Đại sứ Anh, George Villiers, Công tước xứ Buckingham thứ 2. Các Prince du sang cũng có mặt dẫn đầu giới quý tộc Pháp, và buổi lễ diễn ra khi "Các thành viên phục vụ Monsieur (chỉ Philippe) và Madame (chỉ Henrietta) xuất hiện, mỗi người đều cầm nến trên tay. Lăng mộ của bà được vây quanh bởi bệ thờ và những lư vạc bằng bạc được trang trí theo kiểu tang lễ truyền thống, cùng dàn hợp xướng hoành tráng. Ở giữa ấy, là chiếc quan tài phủ một tấm vải điều bằng gấm thêu vàng, cùng những tấm phù hiệu của Anh và Pháp, người tham dự đưa tang đều thắp nến khiến cho bầu không khí ngập tràn khói hương mờ ảo. Thế rồi, Tổng giám mục Reims, hộ tống bởi các Giám mục bắt đầu làm lễ Mass, đệm theo là khúc nhạc của nhạc sư Lully"[27]. Không lâu sau cái chết của Henrietta, Monsieur cưới Elisabeth Charlotte từ Palatine, chính là người đã ghi lại những giả thiết về việc Henrietta bị đầu độc. Và cũng như Henrietta, Elisabeth cũng là một hậu duệ của Mary, Nữ vương người Scots, cùng Henrietta chia sẻ chung người ông là James I của Anh[28]. Monsieur và Elisabeth có thêm 2 người con, trong đó có người thừa kế của ông, Philippe II, Công tước xứ Orléans, người về sau cưới con gái ngoài giá thú của Vua Louis XIV là Françoise Marie de Bourbon.

Còn người con của Henrietta, Marie Louise về sau trở thành Vương hậu của Tây Ban Nha, nhưng không có hậu duệ và chết cũng khi 26 tuổi. Cũng như mẹ mình, Marie Louise bị nghi ngờ là đầu độc. Con gái út của Henrietta là Anne Marie, sinh ra người con gái Marie Adélaïde xứ Savoy - mẹ của Louis XV của Pháp trong tương lai. Do đó, hậu duệ của Henrietta kéo đến thời hiện đại có người nhà Orléan đòi quyền ngai vàng Pháp là Henri, Bá tước Paris, Quốc vương Felipe VI của Tây Ban Nha, Quốc vương Philippe của Bỉ, Henri, Đại Công tước Luxembourg và người đòi quyền ngai vàng Ý - Vittorio Emanuele, Thân vương của Naples.