Năm Vĩnh Lạc thứ 22 (1424), tháng 7, Minh Thành Tổ khải hoàn trở về sau cuộc Bắc chinh. Ngày 15 tháng 7 (âm lịch) năm đó, ông đột ngột bệnh nặng. Ngày thứ 16, đưa đến Du Mộc Xuyên (榆木川; nay là Đa Luân, Nội Mông Cổ), trong trạng thái hôn mê bất tỉnh. Đến ngày 18 tháng ấy, tức 12 tháng 8 dương lịch, Minh Thành Tổ qua đời ngay tại Du Mộc Xuyên, thọ 64 tuổi. Tại vị 22 năm.

Di chiếu truyền ngôi cho Hoàng thái tử Chu Cao Sí, tức Minh Nhân Tông. Khi Thành Tổ qua đời, Đại học sĩ Dương Vinh (楊榮), Thái giám Mã Khứ (馬去) bí mật không phát tang, lệnh cho Ngự Mã giám Thiếu giám Hải Thọ (海壽) bí mật hồi kinh, bẩm báo sự việc cho Hoàng thái tử, "Phụng di mệnh trì phò Hoàng thái tử"[6]. Biết tin, Thái tử phái con trai là Hoàng thái tôn Chu Chiêm Cơ (tức Minh Tuyên Tông) đi trước dẫn đường. Ngày 11 tháng 8 (âm lịch) cùng năm, Hoàng thái tôn mới đến quân doanh, tuyên bố tin tức Thành Tổ băng hà. Hoàng thái tử Chu Cao Sí kế vị, sang năm cải niên hiệu thành Hồng Hi (洪熙).

Minh Thành Tổ băng hà sau đó, Tân Hoàng đế Minh Nhân Tông đã lệnh hơn 30 cung nhân, trong đó là 16 vị phi tần của ông, phải tuẫn táng (殉葬), tức bức ép phải chết theo Hoàng đế để "hầu hạ" ở thế giới bên kia[7]. Các vị cung nhân được lựa chọn để tuẫn táng dùng cơm tại ngoài điện, sau đó được đưa vào trong điện, lúc này "tiếng khóc của các cung nữ rung cả cung điện". Trong điện đặt 30 chiếc "giường gỗ nhỏ", những phi tần bị buộc đi vào cõi chết đó được lệnh đứng lên giường gỗ, trên đỉnh đầu họ là những sợi dây thừng để tự treo cổ đã chuẩn bị sẵn, "chui đầu vào cái vòng, đạp đổ giường, rồi nghẹt thở mà chết". Sau khi ăn cơm xong, những người này bị đưa vào điện đường, tuẫn táng cùng Hoàng đế, tiếng khóc than vang trời.

Sau khi qua đời, ông được dâng miếu hiệu là Thái Tông (太宗), thụy hiệu là Thể Thiên Hoằng Đạo Cao Minh Quảng Vận Thánh Vũ Thần Công Thuần Nhân Chí Hiếu Văn hoàng đế (體天弘道高明廣運聖武神功純仁至孝文皇帝), đến ngày 19 tháng 12 (âm lịch) thì cùng hợp táng với Nhân Hiếu Văn Hoàng hậu Từ thị tại Trường lăng (长陵). Năm Gia Tĩnh thứ 17 (1538), Minh Thế Tông Chu Hậu Thông mới sửa miếu hiệu của ông thành Thành Tổ như hiện nay, cũng cho sửa thụy hiệu đi cho phù hợp.