Theo sử nhà Nguyễn, con trai trưởng của ông là Nguyễn Phúc Hồng Bảo, một người ham chơi, mê cờ bạc, không chịu học hành. Vì vậy khi gọi các quan Trương Đăng Quế, Võ Văn Giải, Nguyễn Tri Phương và Lâm Duy Hiệp vào trăn trối, Thiệu Trị để di chiếu truyền ngôi cho con thứ là Nguyễn Phúc Hồng Nhậm. Hồng Bảo được tin đem binh vào, nhưng bị quan Phạm Thế Lịch giữ lại. Một mình Hồng Bảo vào lạy lục vua cha Thiệu Trị, nhưng ông quay mặt đi không trả lời. Hồng Bảo bị Phạm Thế Lịch và Vũ Văn Giải đưa vào hậu cung và giữ ở đó.

Thiệu Trị qua đời vào ngày 27 tháng 9 năm Đinh Mùi, tức 4 tháng 11 năm 1847, hưởng thọ 41 tuổi, miếu hiệu là Hiến Tổ (憲祖). Thụy hiệu của ông là Thiệu Thiên Long Vận Chí Thiện Thuần Hiếu Khoan Minh Duệ Đoán Văn Trị Vũ Công Thánh Triết Chương Hoàng đế (紹天隆運至善純孝寬明睿斷文治武功聖哲章皇帝). Sau khi mất, bài vị nhà vua được đưa vào thờ trong Thế Miếu. Lăng của ông là Xương Lăng, tọa lạc tại làng Cư Chánh, huyện Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên.