Vũ Nhật Tân qua đời tối ngày 21 tháng 7 năm 2020 tại Bệnh viện Ung bướu Hà Nội. Vợ ông, bà Khương Hà đã cho biết ông qua đời "nhẹ nhàng, thanh thản". Hơn nửa năm trị ung thư trực tràng, Vũ Nhật Tân vẫn giữ tinh thần lạc quan. Bà Khương Hà cũng cho biết chồng phát hiện mắc ung thư ngày mùng 7 tết Âm lịch năm 2020 (tức ngày 31 tháng 1 năm 2020).[1] Tin tức về sự qua đời của Vũ Nhật Tân đã khiến giới nghệ sĩ trong và ngoài Việt Nam tỏ ra "bàng hoàng, tiếc nuối".[26] Nhạc trưởng Jeff von der Schmidt đã bày tỏ "nỗi đau xót" trên trang Facebook cá nhân rằng "trái tim ông tan vỡ khi nghe tin buồn".[26] Tang lễ của ông được diễn ra vào ngày 25 tháng 7 và được hỏa táng tại Thanh Trì.[27]