Tháng 11 năm Mậu Dần (1818), Gia Long lâm bệnh,[297] ông hạ chiếu cho Thái tử Nguyễn Phúc Đảm thay ông quyết việc nước và cho gọi hai đại thần là Lê Văn Duyệt và Phạm Đăng Hưng đến hầu. Ông dặn Thái tử Đảm "Đấy là cơ nghiệp gian nan của trẫm, nay giao cho con, con nên cẩn thận giữ gìn... Ta cũng sắp chết, không nói gì, chỉ có một việc là ngày sau phải cẩn thận chớ nên gây hấn ngoài biên".[297] Rồi Gia Long sai Thái tử Đảm chép lại lời mình, Nguyễn Phúc Đảm chép một cách ngập ngừng ý muốn bỏ chữ "băng", Gia Long cầm bút viết luôn chữ đó vào.[364]

Bệnh ngày càng nặng dần, và Gia Long cố gắng giấu điều này.[314] Đây cũng là một trong nhiều nguyên nhân Gia Long bí mật triệu bác sĩ Treillard của tàu buôn Pháp Henri, khi này đang được mời để trị bệnh cho công chúa thứ chín,[365] vào cung chữa bệnh cho ông.[314] Treillard (có thể có cả sự giúp đỡ của bác sĩ J. M. Despiau, một bác sĩ người Pháp thân cận của vua Gia Long) bí mật điều trị cho nhà vua trong khoảng bốn tháng.[366] Và sau đó vị bác sĩ này cùng với đoàn người trên tàu Henri rời đi vào khoảng ngày 2 tháng 11 năm 1819.[314] Năm tháng sau đó, sức khỏe nhà vua ngày càng suy yếu dần và đến ngày 19 tháng 12 năm Kỷ Mão (tức ngày 3 tháng 2 năm 1820),[367] vua Gia Long qua đời, hưởng thọ 59 tuổi, ở ngôi 18 năm, miếu hiệu là Thế Tổ (世祖).[362]

Về nguyên nhân qua đời, nhà nghiên cứu-lương y Lê Hưng VKD sau khi nghiên cứu "ngự dược nhật ký" năm Kỷ Mão - 1819 (nhật ký ghi chép lại 94 lần kê toa (gồm 24 bài thuốc) của Thái y viện triều Nguyễn đã dùng để chữa bệnh cho Gia Long), cho rằng nhà vua có thể đã bị chứng xơ gan cổ chướng mà qua đời. Thời đó đây là bệnh không có cách chữa. Ông còn nhận xét "Phải chi thời đó có khả năng "cận lâm sàng" như hiện nay thì vị vua "khai sáng triều Nguyễn" đã có thể sống vượt qua năm Kỷ Mão 1819 (vì phát hiện được sớm bệnh trạng thuộc hệ tiêu hóa, do ký sinh trùng tai hại gây ra… tổn thương gan)".[368]

Gia Long được chôn cất tại Lăng Thiên Thọ (hay còn gọi là Lăng Gia Long), nằm ở núi Thiên Thọ, cách Huế khoảng 16 km về phía Tây Nam thuộc làng Định Môn, huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên. Khu lăng mộ được đích thân ông chọn và đốc thúc xây dựng từ năm 1814 và hoàn thành ít lâu sau khi ông qua đời vào năm 1820.[369] Cùng chôn ngay bên cạnh Gia Long trong khu lăng chính là Hoàng hậu Thừa Thiên, về sau bà Hoàng hậu Thuận Thiên được Minh Mạng chôn cất ở lăng Thiên Thọ Hữu, nằm ngay phía bên phải lăng chính.

Sách Hoàng tộc lược biên có viết:

Ngoài ra, Gia Long còn được thờ tại Chánh Án Miếu ở Thế Miếu trong Đại nội Kinh thành Huế. Về sau, vua Minh Mạng đặt thụy hiệu cho ông là Khai thiên Hoằng đạo Lập kỷ Thùy thống Thần văn Thánh vũ Tuấn đức Long công Chí nhân Đại hiếu Cao Hoàng đế (開天弘道立紀垂統神文聖武峻德隆功至仁大孝高皇帝).[370]

Truyền ngôi cho Minh Mạng

Vốn là con trai cả, Nguyễn Phúc Cảnh, cũng như người con trai thứ hai và thứ ba của Gia Long đều đã mất trước khi ông lên ngôi vua (1802) nên Gia Long phải quyết định chọn người kế lập trong số các con cháu trực hệ, trong số này thì hai ứng cử viên nặng ký nhất là người con thứ tư (hoàng tử Nguyễn Phúc Đảm) và con trai của Nguyễn Phúc Cảnh là Hoàng tôn Nguyễn Phúc Mỹ Đường.

Mặc dù có nhiều đình thần phản đối nhưng ông vẫn muốn chọn vị hoàng tử thứ tư là Nguyễn Phúc Đảm làm người kế vị thay vì chọn dòng đích là Mỹ Đường, bất chấp có nhiều đại thần phản đối theo nguyên tắc "đích tôn thừa trọng" (cháu cả được thay thế cha (trong việc kế thừa ông nội)), trong đó có những trọng thần như Lê Văn Duyệt hay Nguyễn Văn Thành.[357][371] Hoàng tử Đảm vốn là người hay bài xích đạo Công giáo và không có chút cảm tình nào với người Pháp - tư tưởng này hợp với Gia Long. Gia Long đã dặn trong di chiếu rất rõ với Minh Mạng rằng hãy đối xử tử tế với người Âu nhưng hết sức cảnh giác trước các tham vọng của họ,[106] ngoài ra hoàng tử Đảm khi đó đã là một người trưởng thành và khó lòng bị khống chế so với Mỹ Đường đang trong lứa tuổi thiếu niên.

Sau khi Nguyễn Văn Thành uống thuốc độc tự tử trong một vụ án có liên quan tới việc này, phe ủng hộ Mỹ Đường thất bại khi Gia Long chính thức phong cho Nguyễn Phúc Đảm làm Thái tử năm 1817[358] và sau đó kéo cho tận tới sau khi Thái tử Đảm lên ngôi năm 1820.[358]

Tuy nhiên lý do thực sự Gia Long chọn Hoàng tử Đảm nối ngôi vẫn chưa chắc chắn. Theo sử gia Nguyễn Quang Trung Tiến, Tiến sĩ Khoa học thuộc Trường Đại học Khoa học (Đại học Huế), lý do Gia Long không chọn Mỹ Đường là vì sợ những ảnh hưởng của Pháp đến triều đình: Mỹ Đường vốn là người chịu nhiều ảnh hưởng của đạo Công giáo từ người Pháp giống như cha của ông.[106] Còn học giả Nicole-Dominique Le, học giả thuộc Viện Nghiên cứu và Khảo cứu các Nhân chủng và Văn hóa khác nhau tại Paris (Pháp), lại cho rằng lý do quan trọng nhất Gia Long chọn Đảm là tại vì danh tiếng của hoàng tử như là một người sùng Nho giáo cứng rắn trong các vấn đề tôn giáo.[372] Bà Nicole-Dominique Le còn cho rằng Gia Long xem Đảm là hoàng tử nhà Nguyễn được chuẩn bị tốt nhất để bảo vệ sự độc lập văn hóa Việt Nam khỏi các thách thức sắp đến của các quốc gia châu Âu; và khỏi sự hiện diện đã có của họ tại Việt Nam là các giáo sĩ Công giáo.[372]