Sức khỏe Lenin đã bị ảnh hưởng nghiêm trọng sau những căng thẳng trong cuộc cách mạng và nội chiến. Vụ ám sát ông năm 1918 càng làm tình trạng thêm tồi tệ. Viên đạn vẫn nằm trong cổ ông, quá gần xương sống để có thể lấy ra trong tình trạng kỹ thuật y tế thời ấy. Tháng 5 năm 1922, Lenin bị đột quỵ lần đầu tiên. Ông bị tê liệt nửa người bên phải và dần giảm bớt ảnh hưởng trong chính phủ. Sau vụ đột quỵ thứ hai vào tháng 12 năm ấy, ông hầu như từ bỏ các hoạt động chính trị. Tháng 3 năm 1923, ông bị đột quỵ lần thứ ba và phải nằm ngồi xe lăn trong cả phần đời còn lại, thậm chí không thể nói được.

Sau lần đột quỵ đầu tiên, Lenin đã đọc cho thư ký ghi lại một số tài liệu về Chính phủ và vợ ông. Nổi tiếng nhất trong số đó là bản Di chúc của Lenin, trong đó cùng với nhiều sự kiện khác ông đã chỉ trích một số quan chức hàng đầu, đặc biệt là Iosif Stalin. Về Stalin, người từng là tổng thư ký Đảng cộng sản từ tháng 4 năm 1922, Lenin nói rằng Stalin là một người thô bạo có "quyền lực vô hạn tập trung trong tay" và đề xuất rằng "các đồng chí nghĩ cách đưa Stalin ra khỏi vị trí ấy"[41]. Ngay khi Lenin qua đời, vợ ông đã gửi bản Di chúc tới ủy ban trung ương, nó được đọc trước Đại hội lần thứ 13 của Đảng cộng sản vào tháng 5 năm 1924. Tuy nhiên, vì di chúc chỉ trích tất cả những nhân vật có ảnh hưởng nhiều nhất trong ủy bản trung ương: Zinoviev, Kamenev, Bukharin và Stalin, ủy ban đã quyết định không công bố nó ra đại chúng. Ủy ban trung ương cho rằng di chúc là hậu quả của tình trạng tâm thần bất ổn của Lenin trong những năm cuối đời, và vì thế, những lời phán xét cuối cùng của ông không đáng tin cậy. Việc không xem xét nghiêm túc tới những ý kiến của Lenin sau này thường được cho là một sai lầm lớn.

Cho đến lúc qua đời khi chưa đến 54 tuổi, trong người Lenin vẫn còn hai viên đạn là hậu quả của các vụ ám sát nhắm vào ông.

Di chúc của Lenin (Lenin's Testament) được Max Eastman xuất bản chính thức lần đầu tiên năm 1926 tại Hoa Kỳ.

Lãnh tụ Vladimir Ilich Lenin qua đời ngày 21 tháng 1, 1924 ở tuổi 53 do chứng xơ cứng động mạch não, đã gây ra cơn đột quỵ lần thứ tư. Khám nghiệm cho thấy ông bị xơ vữa động mạch cảnh trái, và cuối cùng mạch máu bị vỡ, gây ra xuất huyết ở khu vực trung tâm bộ não[42]

Vào năm 2004 một nhóm bác sĩ Do Thái, dựa theo các triệu chứng ghi trong hồ sơ bệnh án của Liên Xô, đã đưa ra giả thuyết rằng Lenin đã mắc bệnh hơn 10 năm trước khi qua đời, nguyên nhân bởi bệnh giang mai[43][44]. Một thành viên trong nhóm bác sĩ này là Witztum kể rằng đồng nghiệp của ông, giáo sư Vladimir Lerner, là bác sĩ tâm thần ở Moscow cùng với người con trai của bác sĩ trưởng của Lenin, người này kể rằng nhiều báo cáo khám nghiệm thi thể của Lenin đã ghi rằng một trong những nguyên nhân gây ra cái chết là bệnh giang mai[45]. Nhà sử học Helen Rappaport, chuyên nghiên cứu về lịch sử Nga, sau khi khảo sát hồ sơ bệnh án của Lenin cũng cho rằng ông đã chết vì bệnh giang mai, lây truyền từ một gái mại dâm ở Paris vào năm 1902. Helen Rappaport cho rằng nhiều bác sĩ hàng đầu của điện Kremlin đã biết Lenin bị giang mai, tuy vậy chính quyền đã buộc họ phải giữ im lặng, ông đề cập tới một cuộc trò chuyện giữa nhà khoa học Nga nổi tiếng Ivan Pavlov với bác sĩ Mikhail Zernov: "Pavlov đã nói với Zernov rằng Lenin đã mắc phải căn bệnh giang mai và trong thời gian lãnh đạo Liên Xô, ông ấy đã cho thấy tất cả các dấu hiệu điển hình của một người bị mắc chứng bại liệt do căn bệnh [giang mai] mang lại... các nhà khoa học hàng đầu đã được gọi đến để kiểm tra não của Lenin sau khi ông qua đời năm 1924 và tất cả họ đều đồng tình với chẩn đoán này. Đó là một bí mật giữa họ với nhau, nhưng tất nhiên không ai dám công khai về điều này và không có hồ sơ chính thức nào của Liên Xô ghi lại nó"[46] Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu khác phủ nhận quan điểm của Rappaport. Alexis Pogorelskin cho rằng Helen Rappaport đã đẩy những suy đoán của mình đi quá xa. Mặc dù các triệu chứng có vẻ hợp lý, thực ra Lenin chỉ biểu hiện các triệu chứng của bệnh đột quỵ tái phát, không phải bệnh giang mai, trong giai đoạn quan trọng từ tháng 5 năm 1922 đến tháng 3 năm 1923, sau khi ông bị bắn trúng cổ trong một vụ ám sát. Ngoài việc trích dẫn những lời kể từ những người không thân cận với Lenin, Helen Rappaport đã không thể cung cấp thêm bất kỳ bằng chứng rõ ràng nào về tình trạng của Lenin[47] Năm 2012, Tiến sĩ Harry Vinters, giáo sư thần kinh học tại UCLA, dựa vào các hồ sơ khám nghiệm tử thi và phẫu thuật não của Lenin, cũng phủ nhận việc Lenin bị giang mai. Ông nói "Tôi không thấy bằng chứng về điều đó. Rất khó có khả năng ông ấy mắc bệnh giang mai". Khám nghiệm tử thi của Lenin cho thấy mạch máu trong não bị xơ cứng (được gọi là chứng xơ vữa động mạch), triệu chứng này không có ở bệnh giang mai. Theo ông, Lenin rất có thể đã chết vì xơ vữa mạch máu gây ra xuất huyết não, chứng bệnh trở nên trầm trọng do Lenin chịu sự căng thẳng kéo dài bởi công việc lãnh đạo và nguy cơ bị ám sát. Thông tin được trình bày tại bài giảng của nhà sử học Lev Lurie cũng ủng hộ cho lập luận này[48].

Năm 2001, Viện sĩ Yury Lopukhin đã phân tích chi tiết báo cáo khám nghiệm thi hài Lenin. Những triệu chứng giang mai điển hình (củ giang mai gây biến dạng khuôn mặt, các khối u đặc trưng cho bệnh giang mai não) đã không được tìm thấy. Não của Lenin, vẫn đang được bảo quản tại Viện Não quốc gia, đã được nghiên cứu nhiều lần, bao gồm cả những nhà nghiên cứu bệnh học nổi tiếng. Tất cả họ đều xác nhận không có dấu hiệu tổn thương do giang mai[49]

Những người suy đoán rằng Lenin bị giang mai chủ yếu dựa vào việc bác sĩ đã kê đơn cho Lenin uống thuốc salvarsan, một loại thuốc mà vào thời đó được sử dụng để điều trị bệnh giang mai. Tuy nhiên, giáo sư thần kinh học người Đức, ông Max None nói rằng: "Đó hoàn toàn không thể là bằng chứng cho bệnh giang mai", bởi thuốc salvarsan thời đó được sử dụng chung cho khá nhiều ca bệnh về não bộ nếu bác sỹ không thể chẩn đoán được nguyên nhân rõ ràng[50][51]

Thực ra, những suy đoán về việc Lenin bị giang mai đã xuất hiện từ năm 1921, bắt đầu bởi một cuốn sách viết bởi trưởng khoa da liễu của Đại học Saratov, ​​giáo sư Vladimir Irebolitovich Terebinsky, người đã chạy về miền Nam theo quân Bạch Vệ và sau đó di cư đến Balkan. Tuy nhiên, vào năm 1924, nhà nghiên cứu bệnh lý học A. I. Abrikosov sau khi tiến hành các phân tích bằng kính hiển vi về bộ não của Lenin đã tuyên bố rằng ông bị vỡ mạch máu não do xơ vữa động mạch, và những tin đồn về việc Lenin bị giang mai nhạt dần và bị lãng quên cả ở Nga và nước ngoài. Mãi cho đến thời kỳ cầm quyền của Gorbachev với chính sách công khai hóa và minh bạch hóa của chính phủ có tên gọi Glasnost, giả thuyết này mới được khơi lại[52]

Năm 2011, bác sĩ Cynthia St. Hilaire cho rằng nguyên nhân gây ra chứng xơ vữa động mạch sớm của Lenin nằm ở sự đột biến gen NT5E mà ông chịu sự di truyền từ cha mình. Cha của Lenin mất khi 55 tuổi, rất giống với Lenin (thọ 54 tuổi), với những triệu chứng dường như là tương tự[53]

Nhà thần kinh học Valery Novoselov, trưởng khoa của Trung tâm Khoa học Lão khoa Nga, đã nghiên cứu nhiều tài liệu về những ngày cuối đời của Lenin, cũng như nhật ký y khoa của những người khám bệnh cho Lenin. Trong một cuộc phỏng vấn với tờ Lenta.ru vào năm 2018, ông cho rằng Lenin đã chết do giang mai, và chính phủ Liên Xô đã cố ý che giấu sự thật này. Novoselov cho rằng hồ sơ giải phẫu bệnh lý cho thấy Lenin không chết vì xơ vữa động mạch. Theo ghi chép của Viện sĩ Lopukhin, trong quá trình điều trị Lenin đã sử dụng các chất có độc tính cao như thủy ngân, bismuth, asen, iot hàng ngày, vào thời đó những chất này dùng cho việc chữa giang mai. Novolesov cũng cho rằng các bác sĩ chữa bệnh cho Lenin đã thỏa thuận với chính quyền rằng họ sẽ giữ bí mật, đồng thời công bố các thông tin giả về tình hình sức khỏe của Lenin, và ngay cả Lenin cũng phải phì cười khi đọc những báo cáo giả đó. Có 9 bác sĩ trong đội ngũ khám bệnh cho Lenin là người ngoại quốc, Novoselov cho rằng họ đã nhận một khoản tiền lớn để không tiết lộ về căn bệnh giang mai của Lenin. Nhà thần kinh học nổi tiếng người Nga Bekhterev đã chết đột ngột khi sắp tham gia một hội nghị về khoa học thần kinh ở nước ngoài, Novoselov cho rằng chính quyền Liên Xô đã ám sát Bekhterev để ngăn ông tiết lộ ra ngoài bí mật về cái chết của Lenin. Tuy nhiên, Novolesov cũng nói rằng: tất cả những quan điểm của ông chỉ dựa trên các tài liệu phi y tế thuộc phạm vi công cộng (gồm những ghi chép của các bác sĩ tham gia chữa bệnh cho Lenin, cùng một tập tài liệu ghi những gì Lenin đã ăn và những người mà ông đã gặp), vì thông tin về thi hài Lenin thuộc bí mật nhà nước cho đến năm 2024 nên ông không thể chứng minh quan điểm của mình có đúng hay không. Ngoài ra, Novoselov cũng không rõ tại sao Lenin bị nhiễm bệnh, bởi tỷ lệ dân số Nga mắc bệnh giang mai năm 1924-25 chiếm tới 5,5% dân số, khảo sát trong những năm 1920 cho thấy có tới 16% dân số mắc bệnh giang mai ở một số ngôi làng miền trung nước Nga. Có tình trạng này là vì tại thời điểm đó bệnh giang mai gia đình (chứng giang mai lây bệnh chỉ bằng việc tiếp xúc hoặc dùng chung đồ vật của người bệnh) đã lan rộng, và bất cứ ai cũng có thể bị lây nhiễm chứng giang mai này, ngay cả một đứa trẻ.[54].

Những ghi chép của Lenin đã được kiểm duyệt kỹ lưỡng sau khi ông qua đời. Đầu thập kỷ 1930, dưới thời Stalin, có một giáo điều rằng Lenin và Ủy ban trung ương không bao giờ sai lầm. Vì thế, cần phải bỏ mọi bằng chứng về những sự bất đồng giữa hai bên, bởi vì trong trường hợp đó không thể cả hai bên cùng đúng. Trotsky từng là một người chỉ trích mạnh mẽ việc này, hành động mà ông coi là một hình thức sùng bái cá nhân bởi một người bình thường luôn có thể và chắc chắn đã từng phạm những sai lầm[55]. Sau này, thậm chí lần xuất bản thứ năm tại Liên Xô của tác phẩm Lenin toàn tập (xuất bản với 55 cuốn dày trong giai đoạn 1958 và 1965) cũng bỏ đi những phần trái với giáo điều hay thể hiện những thói quen được cho là không tốt ở tác giả. Đến những lần xuất bản sau thì sách mới được in như nguyên tác[56].

Thành phố Petrograd đã được đổi tên thành Leningrad ba ngày sau khi Lenin qua đời để vinh danh ông; cái tên này giữ nguyên cho tới khi Liên bang Xô viết sụp đổ năm 1991, khi nó lấy lại tên cũ là Sankt-Peterburg. Tuy nhiên, các vùng xung quanh đó (tỉnh Leningrad) vẫn được giữ nguyên tên gọi, và là một tỉnh hành chính trực thuộc Liên Bang Nga. Ngoài ra, thành phố quê hương của Lenin cũng được đặt tên theo họ của ông (thành phố Ulyanovsk).

Thời gian đầu thập kỷ 1920 phong trào vũ trụ luận ở Nga khá sôi động và đã có ý tưởng bảo quản lạnh xác Lenin nhằm tái sinh trong tương lai. Những phương tiện cần thiết đã được mua về từ nước ngoài, nhưng vì một số lý do kế hoạch này không được thực hiện. Thay vào đó xác ông được ướp và đặt trong Lăng Lenin tại Moskva ngày 27 tháng 1, 1924.