Ngày 16 tháng 09 năm 2019 ông phải nhập viện vì đột quỵ trong lúc đang làm vườn tại quê nhà, được gia đình đưa vào bệnh viện Sa Đéc (Đồng Tháp) và được chuyển thẳng lên Bệnh viện Quân y 175 (TP. Hồ Chí Minh).

Theo tin từ Bệnh viện Quân y 175 tại Thành phố Hồ Chí Minh, Anh hùng phi công Nguyễn Văn Bảy (A) đã từ trần hồi 21 giờ ngày 22 tháng 9 năm 2019, hưởng thọ 83 tuổi.[9] Lễ tang của ông được hàng ngàn người tiễn đưa, trong đó có Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư thư Thành ủy Thành phố Hồ Chí Minh Nguyễn Thiện Nhân đến viếng và chia buồn, cùng đại diện nhiều lãnh đạo diện các cơ quan trung ương và địa phương. "Vô cùng thương tiếc Anh hùng lực lượng vũ trang đại tá Nguyễn Văn Bảy, nguyên Phó tham mưu trưởng Quân chủng Không quân, Huy hiệu 55 năm tuổi Đảng, người sĩ quan và đảng viên suốt đời chiến đấu, hy sinh vì độc lập, tự do của Tổ quốc, tấm gương sáng về đạo đức cách mạng cho các thế hệ” – ông Nguyễn Thiện Nhân viết trong sổ tang[10].

Ông được an táng tại quê nhà ấp Hậu Thành, xã Tân Dương, huyện Lai Vung, Đồng Tháp.