Ngày 26 tháng 1 năm Quý Mão (1783), Lê Trọng Thứ qua đời, hưởng thọ 90 tuổi. Lăng mộ được xây dựng tại Làng Phú Hiếu – xã Độc lập – Hưng Hà – Thái Bình. Được tin Lê Trọng Thứ qua đời, chúa Trịnh Khải đã tâu lên vua Lê Hiển Tông bãi triều trong ba ngày để tỏ lòng thương tiếc ông và cùng các quan về dự lễ tang tại quê nhà.

Sau khi qua đời, ông được tặng hàm Thái bảo, tước Hà quận công. Tế tự tại Mộc Hoàn (Nay là thôn Khả Duy – xã Mộc Bắc - thị xã Duy Tiên, tỉnh Hà Nam).