Tại kì họp thứ 5 diễn ra từ ngày 27 đến 30 tháng 6 năm 2017, Ủy ban Kiểm tra Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam đã quyết định kỉ luật bà với hình thức cảnh cáo vì bà đã vi phạm luật phòng chống tham nhũng. Cụ thể, trong thời gian giữ chức tỉnh ủy viên, Giám đốc Sở Công nghiệp tỉnh Đồng Nai (từ năm 2003 đến tháng 1 năm 2009[3]), Bí thư Huyện ủy Nhơn Trạch, bà tham gia điều hành công ty Trách nhiệm hữu hạn Cường Hưng do chồng bà sáng lập và là chủ tịch Hội đồng thành viên. Ngoài ra, trong thời gian giữ chức vụ Ủy viên Ban thường vụ Tỉnh ủy, Phó chủ tịch Ủy ban nhân dân tỉnh Đồng Nai (từ tháng 6 năm 2011 đến tháng 9 năm 2014[3]), bà đã ký các văn bản của ủy ban nhân dân tỉnh chấp thuận cho Công ty Cường Hưng đầu tư dự án Khu dân cư thương mại xã Phước Tân, thành phố Biên Hòa, tỉnh Đồng Nai.[4] Bà cũng ký các văn bản của UBND tỉnh không thuộc lĩnh vực mình phụ trách để cấp phép và gia hạn cho Công ty Cường Hưng kinh doanh bến thủy, mặt bằng, vật liệu xây dựng, vi phạm quy chế làm việc của UBND tỉnh. Bà ký văn bản chấp thuận hỗ trợ kinh phí bồi thường giải phóng mặt bằng dự án BOT đường chuyên dùng cho Hợp tác xã An Phát, nhưng không thông qua tập thể UBND tỉnh, chưa báo cáo Thường trực HĐND tỉnh, vi phạm các quy định của pháp luật về đầu tư. Bà Thanh còn kê khai tài sản, thu nhập không đầy đủ, không đúng quy định của Đảng và Nhà nước là vi phạm quy định về những điều đảng viên không được làm.[5]

Tháng 4 năm 2018, Ban Chấp hành Đảng bộ Đảng Cộng sản Việt Nam tỉnh Đồng Nai đã bỏ phiếu đề nghị khai trừ ra khỏi đảng đối với bà Phan Thị Mỹ Thanh với tỉ lệ 2/3 tán thành.[6]

Ngày 4 tháng 5 năm 2018, Ban Bí thư Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa 12 (sau cuộc họp dưới sự chủ trì của Tổng bí thư Nguyễn Phú Trọng) đã quyết định cách hết tất cả các chức vụ trong nội bộ Đảng Cộng sản Việt Nam của bà Phan Thị Mỹ Thanh, đồng thời đề nghị Đảng đoàn Quốc hội chỉ đạo thực hiện các quy trình, thủ tục xem xét bãi nhiệm đại biểu quốc hội Việt Nam đối với bà Phan Thị Mỹ Thanh.[3]