Vào ngày 15 tháng 6 năm 2017, các bác sĩ tại Trung tâm Y tế Đại học Cincinnati đã tuyên bố rằng Warmbier đã bị tổn thương não nặng nề, phù hợp với biến cố tim phổi hơn là chấn thương ở đầu, và không có dấu hiệu bạo hành thể xác.[36][37] Cha của Warmbier đã tổ chức một cuộc họp báo vào ngày hôm đó, nhưng từ chối trả lời một cuộc tìm kiếm của phóng viên

Nhà tâm thần học Daniel Kanter, giám đốc chương trình chăm sóc thần kinh tại Trung tâm Y tế Đại học Cincinnati, cho biết vào ngày 15 tháng 6 rằng Warmbier đang ở trong tình trạng "tỉnh táo không tỉnh giác" - một điều kiện thường được gọi là trạng thái thực vật dai dẳng. Anh đã có thể tự thở bằng chính mình, và chớp mắt, nhưng nếu không anh đã không đáp lại môi trường của mình. Hình ảnh cộng hưởng từ cho thấy anh bị mất nhiều mô não trong não của mình.[38] Kanter nói rằng chấn thương não Warmbier là điển hình của một ngừng tim làm cho não bị từ chối oxy. Các bác sĩ cũng nói rằng họ không tìm thấy bằng chứng nào về việc lạm dụng thể chất hoặc tra tấn; Việc quét cổ và đầu Warmbier là ngoại lệ bên ngoài tổn thương não [38]. Các bác sĩ cho biết họ không biết nguyên nhân gây ra ngừng tim, nhưng nó có thể đã được kích hoạt bởi một sự ngưng thở về hô hấp.[1]

Brandon Foreman, chuyên gia chăm sóc sức khoẻ tâm thần tại bệnh viện, khẳng định rằng không có dấu hiệu của một trường hợp bệnh ngộ độc hiện tại hoặc trong quá khứ, có thể gây tê liệt nhưng không phải là hôn mê.[38][39]

Hồ sơ y tế từ Triều Tiên cho thấy Warmbier đã ở trong quốc gia này kể từ tháng 4 năm 2016, một tháng sau khi anh bị kết án. Fred Warmbier bày tỏ sự tức giận đối với người Triều Tiên vì tình trạng của con trai mình, nói rằng "Không có lý do gì cho bất kỳ quốc gia văn minh nào giữ bí mật tình trạng của mình và từ chối chăm sóc y tế hàng đầu trong một thời gian dài"

Warmbier qua đời tại bệnh viện vào ngày 19 tháng 6 năm 2017. Cha mẹ và hai anh chị em của anh ta sống sót qua anh ta. Gia đình anh đã đưa ra một tuyên bố bày tỏ sự buồn của họ, cảm ơn các nhân viên bệnh viện, và lên án các quan chức Triều Tiên cho hành động của họ.[40] Tổng thống Donald Trump sau đó đã đưa ra một tuyên bố về cái chết của Warmbier, "Không có gì bi thảm hơn cho cha mẹ hơn là mất một đứa trẻ trong giai đoạn đầu của cuộc đời. Chúng tôi chia buồn và gửi lời cầu nguyện của chúng tôi đến gia đình và bạn bè của Otto, và tất cả những ai yêu mến anh ấy." [5][41]