Đầu năm 1330, Pháp Loa được một số quý tộc mời thăm An Lạc tàng viện, giảng lại hội thứ nhất và thứ hai trong kinh Hoa Nghiêm. Không lâu sau, ông lên Thăng Long chúc mừng thượng hoàng Trần Minh Tông dẹp được quân Ngưu Hống. Ngày 3 tháng 2 âm lịch, Pháp Loa trở về viện An Lạc, 2 ngày sau ông bị bệnh. Trong vòng 7-8 ngày tới bệnh tình trầm trọng hơn. Khi Huyền Quang đến thăm Pháp Loa đã có một cuộc hội thoại về Thiền được sử sách lưu lại:

"Đến ngày mười một vào lúc ban đêm Huyền Quang vào thăm bệnh, trong lúc ngủ, Sư [Pháp Loa] kêu “hồng hồng” một tiếng, Huyền Quang hỏi: “Ngủ với thức đã là một chưa?”Sư đáp: “Ngủ với thức là một, là khi y không bệnh”.Huyền Quang hỏi: “Bệnh với không bệnh đã là một chưa?”Sư đáp: “Bệnh cũng chẳng can gì đến y, chẳng bệnh cũng chẳng can gì đến y”.Huyền Quang hỏi: “Thế thì tại sao có tiếng nói thốt ra?”Sư đáp: “ Tiếng gió thổi qua cây mà quan tâm làm gì”.Huyền Quang nói: “Tiếng gió thổi qua cây thì người ta không lầm, nhưng khi ngủ nói mớ thì có thể làm người ta lầm”.Sư nói: “Kẻ si mê cũng có thể bị tiếng gió thổi qua cây làm mê lầm lắm”.Huyền Quang nói: “ Chỉ có một bệnh đó mà đến chết cũng chưa khỏi”.Sư bèn đạp Huyền Quang, Huyền Quang bỏ ra."

Sau cuộc đối thoại này, thiền sư Pháp Loa có phần bình phục. Ngày 13 tháng 2 âm lịch, ông trở về phương trượng viện Quỳnh Lâm, 6 ngày sau bệnh lại trở nặng. Ông bèn phó chúc áo cà sa và tâm kệ của Điều Ngự cho Huyền Quang. Các đệ tử khác như Cảnh Ngung, Cảnh Huy, Vô Tế,... và nhiều người khác cũng vào phương trượng xin kệ và hỏi han, Pháp Loa cho kệ và "trả lời những câu hỏi của họ không biết mỏi mệt" (dẫn theo sách Tam Tổ Thực Lục). Ngày 1 tháng 3 âm lịch năm 1330, thượng hoàng Minh Tông đến thăm bệnh, nhưng không thấy thiền sư có triệu chứng sắp mất. Sau đó, thượng hoàng hai lần cho thái y đến chữa trị nhưng cũng đều rút ra kết luận tương tự. Đến đêm ngày 3 tháng 3 âm lịch (22 tháng 3 dương lịch), bệnh tình nguy kịch, Pháp Loa có cuộc đối thoại với Huyền Quang. Sách Tam Tổ Thực Lục kể lại:[1]

“	Huyền Quang vào thăm hỏi: “Xưa nay những người sắp lâm chung thì buông đi tốt hay giữ lại tốt?” Sư đáp: “Đi hay ở đều chẳng liên can gì cả”. Huyền Quang hỏi: “ Chẳng liên can gì cả là thế nào?’ Sư đáp: “Tùy xứ Tát-bà-ha”.	”
— Tam Tổ Thực Lục

Các đệ tử vào phương trượng, hỏi vì sao các tổ đều làm kệ lâm chung mà thầy không có, Pháp Loa viết:

萬緣裁斷一身閒。 四十餘年夢幻間 珍重諸人休借問。 那邊風月更邇寬

Vạn duyên tài đoạn nhất thân nhàn Tứ thập dư niên mộng huyễn gian Trân trọng chư nhân hưu tá vấn Na biên phong nguyệt cánh nhĩ khoan.

Muôn duyên cắt đứt, tấm thân nhàn,Hơn bốn mươi năm cõi mộng tàn.Giã biệt! Xin đừng theo hỏi nữa,Bên kia trăng gió mặc thênh thang.

Viết xong, ông ném bút, an nhiên viên tịch vào đúng giờ Tý, thọ 47 tuổi. Các đệ tử khâm liệm thiền sư vào quan tài, đến giờ Sửu rước lên chôn cất ở chùa Thanh Mai (núi Thanh Mai). Thượng hoàng Minh Tông sai trung sứ đến núi Thanh Mai để nghe thuật lại bài kệ thị tịch cùng những cuộc đối đáp của Pháp Loa lúc sắp mắt. Đến ngày 11 tháng 3 âm lịch, thượng hoàng truy tặng Pháp Loa danh hiệu Tịnh Trí Tôn giả (淨智尊者), cúng dường 10 lượng vàng cho việc xây tháp thờ Pháp Loa. Tháp này được đặt tên là Viên Thông. Thượng hoàng còn viết bài thơ viếng thiền sư, tựa là Đề chùa Thanh Mai viếng Pháp Loa tôn giả (Vãn Pháp Loa tôn giả đề Thanh Mai tự). Sách Thơ văn Lý Trần (tập 2, quyển thượng) do Nguyễn Huệ Chi, Trần Thị Băng Thanh, Đỗ Văn Hỷ và Trần Tú Châu biên soạn đã chép lại rằng:[10]

挽法螺尊者題青梅寺唾手塵寰以了緣，覺皇金縷得人傳.青山蔓草棺藏履，碧樹深霜殼脫蟬.夜掩講堂今古月，晚迷丈室有無煙.相投針芥嗟非昔，琢就哀章淚泫然.

Vãn Pháp Loa tôn giả đề Thanh Mai tựThoá thủ trần hoàn dĩ liễu duyên,Giác Hoàng kim lũ đắc nhân truyền.Thanh sơn mạn thảo quan tàng lý,Bích thụ thâm sương xác thoát thiền.Dạ yểm giảng đường kim cổ nguyệt,Hiểu mê trượng thất hữu vô yên.Tương đầu châm giới ta phi tích,Trác tựu ai chương lệ huyễn nhiên.

Đề chùa Thanh Mai viếng Pháp Loa tôn giảTrắng tay chẳng chút nợ trần mang,Đã có người truyền phép Giác vương.Giầy xếp trong quan, nghìn núi cỏ,Ve ra ngoài xác, một cây sương.Trăng đêm nương náu trong tăng viện,Mù sớm ngăn che trước pháp đường.Kim cổ cùng nhau nay vắng vẻ,Viếng ai một khúc lệ đôi hàng.Bản dịch của Đinh Văn Chấp, đăng trên Tạp chí Nam Phong