Tống Hoàn công có người con lớn là Tử Mục Di, tuy thông minh tài đức nhưng do phải con vợ chính nên không được lập làm thế tử. Lúc Hoàn công lâm bệnh, thế tử Tư Phủ muốn nhường cho Mục Di được kế vị. Tống Hoàn công khen Tư Phủ, nhưng không theo lời, vẫn giữ nguyên ngôi thế tử.

Mùa xuân năm 651 TCN, Tống Hoàn công qua đời. Ông ở ngôi tất cả 31 năm. Thế tử Tư Phủ nối ngôi, tức là Tống Tương công.