Tương truyền, vào một buổi chiều đầu thu năm 1792, vua Quang Trung đang ngồi làm việc, bỗng hoa mắt, tối sầm mặt mũi, mê man bất tỉnh. Khi tỉnh dậy, nhà vua cho triệu trấn thủ Nghệ An là Trần Quang Diệu về triều bàn việc dời đô ra Phượng Hoàng Trung Đô (nay thuộc Nghệ An). Nhưng việc chưa quyết xong thì bệnh tình nhà vua đã nguy kịch. Trước khi mất, nhà vua đã căn dặn Trần Quang Diệu và các quần thần:[122]

“

Ta mở mang bờ cõi, khai thác đất đai, có cả cõi Nam này. Nay đau ốm, tất không khỏi được. Thái tử[f] tư chất hơi cao, nhưng tuổi còn nhỏ. Ngoài thì có quân Gia Định là quốc thù, mà Thái Đức thì tuổi già, ham dật lạc, cầu yên tạm bợ, không toan tính cái lo về sau. Khi ta chết rồi, nội trong một tháng phải chôn cất, việc tang làm lao thảo thôi. Lũ ngươi nên hợp sức mà giúp Thái tử sớm thiên đô về Vĩnh Đô[k] để khống chế thiên hạ. Bằng không quân Gia Định kéo đến thì các ngươi không có chỗ chôn thân!"

”

Ngày 29 tháng 7 năm Nhâm Tý (16 tháng 9 năm 1792), vào khoảng 11-12 giờ đêm, Quang Trung Nguyễn Huệ qua đời, ở ngôi được 4 năm, hưởng dương 40 tuổi, thuỵ hiệu là Vũ hoàng đế'.[122]Thời điểm mất của vua Quang Trung được các tài liệu cổ ghi khác nhau. Sách Đại Nam thực lục của Nhà Nguyễn ghi ông mất tháng 7 âm lịch năm 1792, Hoàng Lê nhất thống chí ghi ông mất tháng 8 âm lịch năm 1792. Theo lý giải của Hoàng Xuân Hãn trong La Sơn phu tử, cả hai sách ghi đều không sai. Quang Trung mất vào khoảng 11 giờ đêm ngày 29 tháng 7 âm lịch, khoảng đó là giờ tý, nghĩa là bắt đầu được tính sang hôm sau; mà tháng 7 năm đó là tháng thiếu, ngày 29 là ngày cuối tháng, nên sau 11 giờ đêm đã chuyển sang tháng 8. Theo Hoàng Xuân Hãn: "Ghi tháng 7 hay tháng 8 thực ra chỉ chênh nhau khoảng nửa giờ".[123]Bắc cung hoàng hậu Lê Ngọc Hân đã viết bài "Tế vua Quang Trung" và bài "Ai Tư Vãn" để bày tỏ nỗi đau khổ và tiếc thương cho người chồng anh hùng sớm ra đi.

Theo Đại Nam liệt truyện - Ngụy Tây liệt truyện, một tài liệu của Sử quán triều Nguyễn: "Ngày 29 tháng 9 Huệ chết, Huệ tiếm ngôi 5 năm, tuổi mới có 40. Thái tử là Quang Toản nối ngôi nguỵ. Tháng 10 táng ở phía nam sông Hương, nguỵ thụy là Thái Tổ Vũ Hoàng đế."

Trong bài thơ Đại Việt sử thi, Hồ Đắc Duy tiếc nuối việc Quang Trung qua đời quá sớm và đột ngột:

Đặt kế hoạch trong ngoài liên kếtĐối với Tàu lễ yết cầu hônMiền Nam, Nguyễn (Ánh) sẽ không cònĐất đai Đại Việt nước non lẫy lừngNhưng tiếc thay nửa đường vắn sốVua Quang Trung đành bỏ ra đi (1792)Lìa trần một giấc biệt lyTrăm năm còn lại những gì nữa đây

Những giả thuyết về cái chết

Cho đến nay, đã có nhiều giả thuyết về nguyên nhân cái chết của vua Quang Trung được đưa ra, nhưng chưa giả thuyết nào có được chứng cứ xác thực, đủ sức thuyết phục do ghi chép đương thời không có nhiều.

Sách Ngụy Tây liệt truyện, một tài liệu của Sử quán triều Nguyễn ghi chép cái chết của vua Quang Trung như sau:

"Một hôm, về chiều, Quang Trung đang ngồi bỗng xây xẩm, tối tăm, thấy một ông già đầu bạc từ trên trời xuống, mặc áo trắng, cầm gậy sắt, mắng rằng: "Ông cha người sống ở đất của Chúa, đời đời làm dân Chúa Nguyễn, sao phạm đến lăng tẩm...". Rồi lấy gậy đánh vào trán Quang Trung, mê man ngã xuống, bất tỉnh nhân sự lâu lắm... Từ đó, bệnh chuyển nặng..."

Ghi chép của Ngụy Tây liệt truyện mang tính hư cấu, vẽ ra chuyện báo mộng để nâng cao sự mê tín vào "thiên mệnh" của Nhà Nguyễn, nhưng nó cũng cho thấy Quang Trung bị bất tỉnh đột ngột, có lẽ là do tai biến ở vùng não bộ.

Sách Tây Sơn thực lục cũng có ghi "Huệ mắc bệnh nặng, chữa không khỏi...". Và sau khi Quang Trung mất, vào tháng 1 năm Càn Long thứ 58 (1793), Quách Thế Huân cũng báo cáo với Càn Long: "Quang Trung đã chết vì bệnh".[112] Cũng một giả thuyết được truyền lại nhiều nhất là một buổi chiều thu năm 1792, vua Quang Trung đang ngồi làm việc, bỗng hoa mắt, tối sầm mặt mũi, mê man bất tỉnh. Người xưa gọi là chứng "huyễn vận", còn ngày nay y học gọi là tai biến mạch máu não.[112][124]

Một giáo sĩ tên Longer, có mặt ở Đàng Ngoài vào những thời điểm này, đã viết trong một bức thư đề ngày 21 tháng 12 năm 1792 là vua Quang Trung chết vì bệnh, nhưng không rõ là bệnh gì.[112] Các nhà nghiên cứu về sau gạt bỏ các chi tiết mê tín trong Ngụy Tây liệt truyện thì họ cho rằng Quang Trung đã bị một cơn tăng huyết áp đột ngột.[112] Bác sĩ Bùi Minh Đức qua khảo cứu các nguồn tư liệu lịch sử, kết luận rằng Nguyễn Huệ bị "Xuất huyết não dưới màng nhện; nguyên nhân tử vong: do viêm phổi sặc" (tràn dịch màng phổi)