Ngày 6 tháng 7 năm 2009, hồng y Ivan Dias và giám mục Robert Sarah gửi thư đến Giám mục Nguyễn Văn Sang, công bố việc sẽ công bố tin bổ nhiệm Tân giám mục chính tòa Thái Bình là Giám mục Phêrô Nguyễn Văn Đệ sau đó vào ngày 25 cùng tháng.[19] Đúng như thông báo trước đó, ngày 25 tháng 7 năm 2009, Tòa Thánh chính thức loan báo giáo hoàng đã chấp thuận đơn từ nhiệm Giám mục chính tòa Thái Bình của Giám mục Nguyễn Văn Sang, bổ nhiệm giám mục phụ tá Giáo phận Bùi Chu Nguyễn Văn Đệ kế vị. Cùng trong bản tin này, Giáo hội Việt Nam còn có nhiều tin bổ nhiệm khác như: giáo hoàng chấp thuận đơn xin hồi hưu của giám mục chính tòa Giáo phận Phan Thiết Phaolô Nguyễn Thanh Hoan, đồng thời bổ nhiệm Giám mục Giuse Vũ Duy Thống kế nhiệm, bổ nhiệm Giám mục chính tòa Giáo phận Phát Diệm Giuse Nguyễn Năng và giám mục phụ tá Giáo phận Xuân Lộc Tôma Vũ Đình Hiệu.[21] Sau khi Nguyễn Văn Sang về hưu, có cán bộ mong muốn mời Giám mục Sang sau khi nghỉ hưu sẽ tham gia Mặt trận Tổ Quốc hay Quốc hội nhưng Giám mục Sang từ chối.[4]

Trưa ngày 25 tháng 8 năm 2017, Tòa giám mục Giáo phận Thái Bình ra thông báo về tình trạng sức khỏe giảm sút của giám mục Nguyễn Văn Sang. Tòa giám mục cũng xin mọi người cầu nguyện cho thời khắc lâm chung của vị nguyên giám mục giáo phận.[22]

Giám mục Nguyễn Văn Sang qua đời vào khoảng 19 giờ ngày 5 tháng 10 năm 2017.[9] Sau khoảng thời gian dài cử hành các thánh lễ cầu nguyện và kính viếng, sáng ngày 9 tháng 10 năm 2017, lễ an táng cố giám mục được cử hành. Thánh lễ an táng do Hồng y Tổng giám mục Tổng Giáo phận Hà Nội Phêrô Nguyễn Văn Nhơn chủ tế, với sự tham gia của đông đảo giám mục, linh mục, tu sĩ và giáo dân, Giám mục Giáo phận Hải Phòng Giuse Vũ Văn Thiên phụ trách phần giảng lễ, nghi thức tiễn biệt do giám mục chính tòa Thái Bình Phêrô Nguyễn Văn Đệ chủ sự và giám mục Giáo phận Đà Nẵng Giuse Đặng Đức Ngân chủ sự nghi thức tại huyệt mộ. Giám mục Nguyễn Văn Sang được an táng tại Hầm mộ Nhà thờ chính tòa Giáo phận Thái Bình.[3]