Ngày 19 tháng 3, năm Đinh Mão (30 tháng 4 năm 1687), chúa Hiền không được khỏe, cho triệu con thứ là Nguyễn Phúc Thái đến bảo rằng:[17]

Ta bình sinh ra vào gian hiểm giữ nhà, giữ nước. Con nối ngôi phải sửa thêm nhân chính cho yên bờ cõi. Các quan văn võ đều do ta cất dùng để mưu mọi bề, đừng để bọn tiểu nhân len vào.

Sau đó, Nguyễn Phúc Tần triệu các quan đại thần tới và bảo rằng:

Ta với các khanh một chí hướng với nhau mà công việc mưa đồ chưa trọn. Nay con ta tuổi còn nhỏ, mong nhờ các khanh giúp đỡ cho công việc của tổ tông rõ ràng. Đừng quên lời ấy.

Nói rồi, ông qua đời, thọ 68 tuổi. Lăng mộ tại làng Hải Cát, huyện Hương Trà, tỉnh Thừa Thiên. Lăng được đặt tên là Trường Hưng lăng (長興陵), thụy hiệu của ông là Công Cao Đức Hậu Dũng Triết vương (功高德厚勇哲王). Vào đời Vũ vương Nguyễn Phúc Khoát, ông được tặng miếu hiệu là Nghị Tổ (毅祖), thụy hiệu cải thành Tuyên Uy Kiến Vũ Anh Minh Trang Chánh Thánh Đức Thần Công Hiếu Triết vương (宣威建武英明莊正聖德神功孝哲王).

Sách Đại Nam thực lục tiền biên có nhận xét về công nghiệp của Chúa Nguyễn Phúc Tần:[18]

“	Bấy giờ trong cõi vô sự, thóc lúa được mùa. Chúa càng sửa sang chính trị, không xây đài tạ, không gần con hát gái đẹp, bớt nhẹ dao dịch thuế má, trăm họ vui vẻ, đều khen là đời thái bình.	”
— Đại Nam thực lục tiền biên

Con ông là Nguyễn Phúc Thái lên kế nghiệp, tức chúa Nghĩa (主義).