Mùa xuân năm 1691, chúa Nghĩa ốm nặng, ông triệu thế tử là Tộ Trường hầu Nguyễn Phúc Chu đến và căn dặn: "Ta vâng theo mối trước, vẫn mong sao nối theo được chí, làm theo được việc. Con nay kế nghiệp, nên noi công đức của tổ tông, cầu hiền đãi sĩ, yêu dân thương quân, đừng tin lời nói gièm pha, đừng bỏ những người ngay thẳng, để xây dựng nghiệp lớn, đó là điều đại hiếu". Cùng ngày, chúa Nghĩa qua đời, thọ 42 tuổi.[9] Lăng mộ táng tại núi Kim Ngọc (Định Môn, Hương Trà, Thừa Thiên). Tên lăng là Trường Mậu. Thế tử Phúc Chu lên kế nghiệp, tức Chúa Minh.

Sau này, Nhà Nguyễn truy tôn ông miếu hiệu là Anh Tông, thụy là Thiệu Hư Toản Nghiệp Khoan Hồng Bác Hậu Ôn Huệ Từ Tường Hiếu Nghĩa hoàng đế.