Cromwell được cho là bị bệnh sốt rét và sỏi thận khi về già. Năm 1658, ông bị sốt nặng, kèm theo là những biến chứng bệnh thận. Sức khỏe của ông có thể đã suy sụp nhanh hơn bởi việc một trong những con gái của ông, Elizabeth Claypole, qua đời tháng 8 năm 1658. Cromwell qua đời ở tuổi 59 tại Whitehall ngày 3 tháng 9 năm 1658, cũng là ngày kỷ niệm các chiến thắng lớn của ông ở Dunbar và Worcester.[84] Nguyên nhân khả dĩ nhất dẫn tới cái chết của ông là bị nhiễm trùng huyết do biến chứng sỏi thận. Ông được chôn cất trong một tang lễ long trọng, tương đương với các nghi lễ dành cho tang lễ của vua James I, tại Tu viện Westminster, con gái ông Elizabeth cũng được chôn cất ở đây.[85]

Thay ông làm Bảo hộ công của Liên hiệp Anh là con trai ông, Richard Cromwell. Dù không phải là kẻ bất tài, Richard không thể nào có được ảnh hưởng như bố ở cả quốc hội và trong quân đội. Ông buộc phải thoái vị tháng 5 năm 1659, chấm dứt chế độ Bảo hộ công. Trong một thời gian, nước Anh không có một lãnh đạo rõ ràng vì những đấu đá quyền lực giữa các phe phái khác nhau cho tới khi George Monck, thống đốc Anh ở Scotland, đứng đầu quân đội mới tiến vào London và tái lập Nghị viện Dài. Dưới sự giám sát của Monck, hiến pháp Anh lại được điều chỉnh để năm 1660 Charles II được mời về khi đang lưu vong để tái lập nền quân chủ.

Ngày 30 tháng 1 năm 1661, (kỷ niệm 12 năm ngày xử tử Charles I), thi thể Cromwell bị quật lên từ Tu viện Westminster, và bị hành hình. Thi thể của Robert Blake, John Bradshaw và Henry Ireton cũng chịu chung số phận (thi thể con gái Cromwell vẫn được giữ nguyên ở Abbey). Thi thể của ông sau đó bị treo lên những sợi xích ở Tyburn, rồi bị ném vào một cái hố. Đầu của Cromwell bị bêu trên một cây cột bên ngoài Cung điện Westminster tới năm 1685. Sau đó đầu của Cromwell trở thành vật sở hữu của nhiều người khác nhau và được mang ra triển lãm vài lần, bao gồm việc bán cho Josiah Henry Wilkinson năm 1814,[86][87] trước khi được chôn cất trở lại ở tiền sảnh giáo đường Đại học Sidney Sussex Cambridge, vào năm 1960.[88][89] Vị trí chính xác của cái đầu lâu không bao giờ được công khai.[90]

Tuy nhiên, nhiều người nghi ngờ thi thể bị hành hình tại Tyburn có thể không phải là của Cromwell. Sở dĩ xuất hiện những nghi ngờ này là vì từ khi ông qua đời tháng 9 năm 1658 tới khi bị quật lên vào tháng 1 năm 1661, thi thể của ông đã được chôn đi chôn lại vài lần để ngăn những người bảo hoàng đầy thù hận xâm phạm. Có những giả thuyết nói thi thể của ông được chôn ở London, Cambridgeshire, Northamptonshire hoặc Yorkshire.[91] Và cho tới giờ, câu hỏi về việc thi thể bị hành hình ở Tyburn có phải của Oliver Cromwell không vẫn chưa có câu trả lời.