Giữa năm 1956, trong một chuyến công tác đến Mĩ, Franklin bắt đầu nghi ngờ về tình trạng sức khoẻ của bản thân. Bà nhận thấy bà không còn có thể mặc váy ngắn do một chỗ sưng u ở quanh bụng.[32] Một cuộc phẫu thuật diễn ra vào tháng 9 cùng năm đã cho thấy có hai khối u ở bụng bà.[33] Thời gian sau này, Franklin dành thời gian hồi phục sức khoẻ bên gia đình và bạn bè. Bà không sống cùng cha mẹ bởi vì mẹ bà than khóc và đau buồn về bà quá nhiều. Ngay cả trong quá trình điều trị ung thư thì Franklin vẫn tiếp tục làm việc. Nhóm của bà tiếp tục cống hiến nhiều kết quả - 7 bài báo trong năm 1956 và 6 bài trong năm 1957.[34]

Cuối năm 1957, Franklin đổ bệnh trở lại và được chuyển đến Bệnh viện Royal Marsden. Bà quay lại làm việc vào tháng 1 năm 1958 và được phong lên chức Research Associate ngành Lý sinh.[35] Ngày 30 tháng 3 bà lại chuyển bệnh và qua đời ngày 16 tháng 4 năm 1958 ở Chelsea, Luân Đôn[36][37] do bị viêm cuống phổi, ung thư biểu bì thứ phát và ung thư buồng trứng. Việc tiếp xúc với tia X thỉnh thoảng được xem là nguyên nhân gây bệnh ở bà.[38]