Tháng 2 năm 1852, Maria Amélia mắc bệnh ban đỏ.[38][37] Nhiều tháng trôi qua, cô không hồi phục và bị ho dai dẳng, khởi phát của bệnh lao.[39][40] Vào ngày 26 tháng 8, công chúa rời cung điện Janelas Verdes, nơi cô sống và đến đảo Madeira. Khí hậu của hòn đảo nổi tiếng là trong lành, như Maria Amélia đã ghi chép: "những cơn sốt biến mất, họ nói, như thể bằng phép thuật!"[41]

Maria Amélia và mẹ cô, người đã đi cùng cô, xuống thuyền vào ngày 31 tháng 8 tại Funchal, thủ phủ của Madeira.[42] Cả thị trấn hân hoan chào đón cô, và một đám đông đi theo công chúa về ngôi nhà mới của cô.[43] Cô rất yêu quý hòn đảo và nói với mẹ: "Nếu một ngày nào đó con lấy lại được sức khỏe cường tráng như xưa, chúng ta sẽ ở lại hòn đảo này một thời gian dài. Chúng ta sẽ thực hiện những chuyến du ngoạn dài ngày trên núi, chúng ta sẽ tìm thấy những điều mới mẻ, giống như chúng ta đã làm ở Stein!”[44] Nhưng sức khỏe của cô ấy xấu đi, và đến cuối tháng 11, mọi hy vọng đều tiêu tan.[26] Đến đầu năm 1853, công chúa nằm liệt giường và biết rằng cái chết đang đến gần: "Sức lực của tôi giảm dần từng ngày; tôi có thể cảm nhận được điều đó... chúng ta đang đi đến điểm bắt đầu của sự kết thúc."[45][46] Sau nửa đêm một chút vào rạng sáng ngày 4 tháng 2, một linh mục đã thực hiện các nghi lễ cuối cùng. Maria Amélia đã cố gắng an ủi mẹ mình: "Mẹ đừng khóc... hãy để ý Chúa; xin Ngài đến giúp đỡ con trong giờ phút cuối cùng; xin Ngài an ủi người mẹ tội nghiệp của con!"[47] Cô mất vào sáng hôm đó vào khoảng 04:00.[48]

Thi thể của công chúa vẫn nằm trong nhà nguyện cạnh ngôi nhà nơi cô qua đời cho đến khi được đưa trở lại đất liền Bồ Đào Nha vào ngày 7 tháng 5 năm 1853.[49] Vào ngày 12 tháng 5, quan tài được đưa xuống ở Lisboa, và một đám tang lớn đã diễn ra sau đó.[50] Hài cốt của cô được an táng bên cạnh cha cô trong Braganza Pantheon, nằm trong Tu viện São Vicente de Fora.[51][52] Gần 130 năm sau, vào năm 1982, hài cốt của Maria Amélia được đưa đến Brasil và đặt trong Convento de Santo Antônio (Tu viện Thánh Anthony) ở Rio de Janeiro, nơi các vương thất Brasil khác được an táng.[53]