Apabila Alois meninggal dunia pada 1903, beliau meninggalkan pencen pemerintah. Klara menjual rumah di Leonding dan berpindah bersama Adolf dan Paula muda ke sebuah apartmen di Linz, di mana mereka tinggal dengan berjimat cermat.

Pada 1906, Klara Hitler menemui benjolan di payudaranya tetapi pada mulanya beliau tidak mengendahkannya. Selepas mengalami sakit dada yang menyebabkan beliau terjaga pada waktu malam, beliau akhirnya berunding dengan doktor keluarga, Eduard Bloch, pada Januari 1907. Beliau telah sibuk dengan mengurus isi rumahnya, katanya, sehingga mengabaikan untuk mendapatkan bantuan perubatan. Bloch memilih untuk tidak memberitahu Klara bahawa beliau menghidap kanser payudara dan menyerahkan kepada anaknya Adolf untuk memaklumkan kepadanya. Bloch memberitahu Adolf bahawa ibunya mempunyai peluang kecil untuk bertahan dan mengesyorkan agar ibunya menjalani mastektomi radikal. Hitler sangat kecewa dengan berita itu. Menurut Bloch, Klara Hitler "menerima keputusan itu kerana saya pasti dia akan melakukannya - dengan ketabahan. Sangat religius, dia menganggap bahawa nasibnya adalah kehendak Tuhan. Ia tidak pernah terfikir untuk mengadu."[7] Dia menjalani mastektomi di Sisters of St. Mercy di Linz di mana pakar bedah, Karl Urban, mendapati bahawa kanser itu telah bermetastasis ke tisu pleura di dadanya. Bloch memaklumkan kepada anak-anak Klara bahawa keadaannya semakin parah. Adolf, yang pernah berada di Vienna kononnya untuk belajar seni, pulang ke rumah untuk menjaga ibunya, begitu juga dengan adik-beradiknya. Menjelang Oktober, keadaan Klara Hitler telah merosot dengan cepat dan anaknya Adolf merayu Bloch untuk mencuba rawatan baru. Untuk 46 hari berikutnya (dari November hingga awal Disember), Bloch melakukan rawatan harian iodoform, satu bentuk kemoterapi yang sedang diuji. Potongan mastektomi Klara Hitler dibuka semula dan dos besar kain kasa yang direndam iodoform disapu terus pada tisu untuk "membakar" sel-sel kanser. Rawatan itu amat menyakitkan dan menyebabkan kerongkong Klara lumpuh, menyebabkan beliau tidak boleh menelan.[7][8]

Rawatan itu terbukti sia-sia dan Klara Hitler meninggal dunia di rumah di Linz akibat kesan sampingan perubatan toksik iodoform pada 21 Disember 1907.[9] Klara telah dikebumikan di Leonding berhampiran Linz.