Phạm Hưng từ trần vào lúc 17 giờ 30 ngày 4 tháng 2 năm 2018 (tức ngày 19 tháng 12 năm Đinh Dậu) tại Bệnh viện Hữu Nghị, Hà Nội, hưởng thọ 91 tuổi.[5]

Lễ tang ông được tổ chức với nghi thức Lễ tang cấp nhà nước, do Nguyễn Hòa Bình, Chánh án TAND Tối cao Việt Nam làm trưởng ban.[4]

Thi thể ông được hỏa táng ở đài hóa thân Hoàn Vũ, Văn Điển, Hà Nội, sau đó được an táng tại nghĩa trang thôn Đặng Xá, xã Cương Chính, huyện Tiên Lữ, tỉnh Hưng Yên.[4]