Theo những người thân và bạn bè kể lại thì sức khỏe của Văn Cao suy yếu nhanh trong những năm cuối đời. Ông không còn ăn được cơm mà chuyển sang ăn bột ngũ cốc do các cơ quan nội tạng bị hư hỏng nặng. Tuy nhiên, ông chưa bao giờ bỏ được thú vui uống rượu có từ thời trẻ.

Ngày 10 tháng 7 năm 1995, sau một thời gian mắc bệnh ung thư phổi, Văn Cao mất tại bệnh viện Hữu Nghị, Hà Nội.