Sau chuyến viếng thăm của Philip trong năm 1557, Mary nghĩ rằng bà mang thai và sẽ sinh con vào tháng 3, 1558[131]. Nữ vương viết di chúc rằng chồng bà sẽ là nhiếp chính nếu bà qua đời[132]. Tuy nhiên, chẳng có đứa bé nào ra đời, và Mary buộc phải chấp nhận Elizabeth là người kế vị hợp pháp[133].

Từ tháng 5, 1558, Mary bị suy nhược và bệnh tật,[134] rồi băng hà tại Cung St James ở tuổi 42 do mắc bệnh cúm trong một cơn dịch đã cướp mạng sống của Reginald Pole sau đó cũng trong một ngày, 17 tháng 11, 1558. Bà bị đau đớn, có thể do ung thư buồng trứng hoặc ung thư niệu đạo.[135] Em gái cùng cha khác mẹ với Mary nối ngôi trở thành Nữ vương Elizabeth. Phillip, lúc ấy đang ở Brussels, viết trong thư gởi em gái: "Anh cảm thấy hối tiếc vừa phải về cái chết của cô ấy"[136].

Theo di chúc, Mary muốn nằm cạnh mẹ, nhưng bà được an táng tại Điện Westminster trong một phần mộ sau này cũng an táng Elizabeth. Vua James I cho khắc dòng chữ tiếng La-tinh trên mộ, Regno consortes et urna, hic obdormimus Elizabetha et Maria sorores, in spe resurrectionis (Chia sẻ với nhau vương quyền và mộ phần, chúng tôi an nghỉ nơi đây, Elizabeth và Mary, là chị em, trong niềm hi vọng sẽ được phục sinh).[137]