Ngày 1 tháng 4 âm lịch (5 tháng 5 dương lịch) năm 1277, Thượng hoàng Trần Thái Tông qua đời tại điện Vạn Thọ (Thăng Long), hưởng thọ 60 tuổi. Theo Đại Việt Sử ký Toàn thư, Thái Tông đã đoán trước được ngày mất của ông:[101]

Trước đó, Thượng hoàng đến ngự đường, bỗng thấy con rết bò trên áo ngự. Thượng hoàng sợ, lấy tay phủi nó rơi đánh "keng" xuống đất, nhìn xem thì hóa ra cái đinh sắt, đoán là điềm năm Đinh.Lại có lần đùa sai Minh tự Nguyễn Mặc Lão dùng phép nghiệm quan nghiệm xem điềm lành hay điềm dữ. Hôm sau Mặc lão tâu: "Thấy một chiếc hòm vuông bốn mặt đều có chữ "nguyệt", trên hòm có một cái kim, một chiếc lược".Thượng hoàng lại đoán: "Hòm tức là quan tài, chữ " nguyệt" (tháng) ở bốn bên tức là tháng 4, cái kim có thể cắm vào vật gì, tức là nhập vào quan tài, chữ "sơ" là chiếc lược, đồng âm với "sơ" là xa tức là sẽ xa rời các ngươi".Lại lúc ấy đương có trò múa rối, thường có câu: "Mau đến ngày mồng 1 thay phiên". Thượng hoàng lại đoán: "Thế là ngày mồng 1 ta chết".Năm trước, có một hôm thượng hoàng chợt bảo tả hữu: "Tháng 4 sang năm ta tất chết". Đến nay quả như vậy.Lăng Trần Thái Tông ở Long Hưng, Thái Bình.

Sách Thánh đăng ngữ lục cũng thuật lại những cuộc đàm đạo Phật pháp cuối cùng của Trần Thái Tông với Trần Thánh Tông và Quốc sư Đại Đăng:[77]

Vua bệnh, Thánh Tông thăm bệnh, nhân đó hỏi: – Chân không và ngoan không là đồng hay khác?Vua đáp: – Hư không là một, nhưng do tự tâm mê ngộ nên thành có chân và ngoan sai khác. Ví như phòng nhà, mở ra thì sáng, đóng lại thì tối, sáng và tối chẳng đồng, và phòng nhà là một.Ngày hôm sau, Quốc sư Đại Đăng vào thăm hỏi: – Bệ hạ bệnh chăng?Vua đáp: – Tứ đại là bệnh, cái này xưa nay sanh tử không can hệ, mà dính kẹt trong bệnh hoạn sao?Khoảng mấy ngày sau, Thái Tông lặng thinh không nói, đuổi hết kẻ hầu hạ, đem việc nước dặn dò Thánh Tông. Thánh Tông muốn nhờ hai Quốc sư Phù Vân (Đạo Viên) và Đại Đăng nói pháp xuất thế cho Thái Tông nghe. Thái Tông gằn giọng bảo: - Đến trong đây, bớt một mảy tơ dường trên thịt khoét thương, thêm một mảy tơ như trong mắt để bụi. Ba đời chư Phật, bốn mắt nhìn nhau, sáu đời Tổ sư thối thân có phần. Dù Phù Vân nói huyền, Đại Đăng thuyết diệu đều là lời thừa, có ích gì đối với cái này?Nói xong Ngài lặng lẽ thị tịch...

Ngày 4 tháng 10 âm lịch (31 tháng 10 dương lịch) năm 1277, triều đình làm lễ mai táng Thái Tông tại Chiêu Lăng thuộc phủ Long Hưng (Tiến Đức, Hưng Hà, Thái Bình ngày nay). Ông được tôn miếu hiệu là Thái Tông (太宗), thụy hiệu là Thống Thiên Ngự Cực Long Công Mậu Đức Hiển Hòa Hựu Thuận Thần Văn Thánh Vũ Nguyên Hiếu Hoàng đế (統天御極隆功茂德顯和佑順神文聖武元孝皇帝).[101]