Lúc lâm trận chống Văn Khâm, Tư Mã Sư đã bị bật một con mắt ra khỏi hố mắt. Sau khi chiến trận Dương châu chấm dứt, bệnh tình ông ngày càng nặng. Sang tháng 1 năm 255, Tư Mã Sư bệnh nặng qua đời, thọ 48 tuổi. Em ông là Tư Mã Chiêu kế tục chức vụ của ông. Ông được ban thụy hiệu là Trung Vũ (忠武). Khi em trai Tư Mã Chiêu trở thành Tấn vương, ông đã được em trai truy thụy làm Cảnh vương (晉王).

Sau khi cháu ông là Tư Mã Viêm lên ngôi Hoàng đế Tây Tấn, ông được truy tôn là Cảnh hoàng đế (晉景帝), miếu hiệu là Thế Tông (世宗).