Mai Phương qua đời tại nhà riêng lúc 19 giờ ngày 28 tháng 3 năm 2020 sau gần 2 năm mắc ung thư phổi.[3][4][5] Mai Phương vốn theo Đạo Phật, nhưng khi qua đời lễ tang của cô lại tổ chức theo nghi lễ của đạo Tin Lành, do ước nguyện của cô trước khi mất, và bố mẹ cô theo đạo này cũng như cô cũng đã cải sang đạo Tin Lành năm tháng trước khi mất. Lễ tang diễn ra trong 3 ngày 29, 30 và 31 tháng 3 năm 2020. Nhưng do trùng với đỉnh điểm của đại dịch COVID-19 nên số lượng người đến viếng trong tang lễ bị hạn chế, mỗi lượt chỉ được 10 người. Vào 8 giờ sáng ngày 31/3/2020, linh cữu của Mai Phương được đưa đi hỏa táng tại Trung tâm hỏa táng Bình Hưng Hòa, quận Bình Tân, Thành phố Hồ Chí Minh. Tro cốt của cô được rải xuống sông dưới cầu Bình Điền, thành phố Hồ Chí Minh.