Mùa xuân năm 1765, sức khỏe của Louis không có dấu hiệu đáng lo ngại. Vì vậy, vào tháng 7 Louis đến Compiègne để tham dự cuộc diễn tập quân sự hàng năm, trong bộ quân phục đại tá, Louis cưỡi ngựa với tư thế đĩnh đạc trước người đứng đầu trung đoàn. Tuy nhiên những ngày ở Compiègne, Louis đã không chăm sóc tốt cho sức khỏe của chính mình sau những bài tập quân sự có phần khá hiếu chiến so với ông. Sau 1 tháng tại Compiègne, Louis đã ngã bệnh nhưng đã được chữa trị khỏi bởi những bác sĩ tại đó, đây cũng là khoảng thời gian Louis có những triệu chứng của bệnh lao. Vào tháng 9, Louis quay trở lại Điện Versailles, mặc dù sức khỏe không được tốt nhưng Louis nhất quyết thực hiện chuyến nghỉ mát tại Lâu đài Fontainebleau, tại đây tình trạng của Thái tử trở nên xấu đi sau những ngày bị tra tấn bởi những cơn ho liên tục kèm theo bệnh kiết lỵ, Louis chết vì bệnh lao ở tuổi 36 vào ngày 20 tháng 12 năm 1765 tại Lâu đài Fontainebleau, lúc tám giờ hai mươi ba phút sáng.[12]

Theo nguyện vọng cuối cùng của Thái tử, hài cốt của Louis đã được chôn cất tại nhà thờ lớn Sens, và trái tim của ông được đưa đến Vương cung thánh đường Thánh Denis.[13] Và vợ của ông, Công chúa Maria Josepha người đã luôn ở bên cạnh Louis chăm sóc ông những khoảng thời gian ngã bệnh đã qua đời vào ngày 13 tháng 3 năm 1767, chỉ 2 năm sau khi Louis qua đời. Dù là Thái tử của Pháp nhưng Louis hầu như cả cuộc đời không được tiếp xúc với các công việc chính trị bởi cha ông Vua Louis XV, người đã không cho phép con trai mình làm điều đó.

Sự ra đi của Louis đã khiến một nhóm những người Dévots đóng vai trò quan trọng trong cuộc cải cách đạo Công giáo tại Pháp đã vô cùng thất vọng, vì đây là nhóm người lúc sinh thời từng có rất nhiều ảnh hưởng đối với Louis và họ luôn hy vọng sẽ giành được một vị trí quan trọng trong triều đình Pháp khi Louis lên ngôi. Nhưng Louis chết trước khi có thể trị vì khiến cho điều đó đã không bao giờ trở thành sự thật vào năm 1765.[14]