Pada 15 Februari 2013, Lee dibawa ke Hospital Besar Singapura selepas menderita disritmia jantung yang diikuti oleh pemberhentian sementera aliran darah ke otak.[55][56][57][58] Buat pertama kalinya di dalam kerjaya politiknya, Lee ketinggalan jamuan makan malam Tahun Baru Cina di Perlembagaan Tanjong Pagar, di mana beliau sepatutnya menjadi tetamu undangan.[59][60] Beliau seterusnya dibenarkan keluar, tetapi terus menerima terapi anti-kogulan.[61][62][63]

Pada tahun berikutnya, Lee ketinggalan jamuan makan malan Tahun Baru Cina di kawasan perlembagaannya untuk kali kedua berturut-turut berikutan pencerobohan bakteria pada tubuh badannya.[64] Pada April 2014, sebuah gambar yang menggambarkan Lee yang dilepaskan dikeluarkan dalam talian, menarik reaksi yang kuat dari netizen.[65]

Pada 5 Februari 2015, Lee dimasukkan ke hospital dan diletakkan di unit rawatan rapi Hospital Besar Singapura, walaupun keadaannya dilaporkan pada awalnya sebagai "stabil".[66][67] Kemas kini 26 Februari menyatakan bahawa beliaubsekali lagi diberi antibiotik, semasa sedang direndam dan masih di bawah pengudaraan mekanikal.[68][69] Dari 17 hingga 22 Mac, Lee terus melemah kerana beliau mengalami jangkitan semasa mendapat bantuan sokongan hayat, dan beliau digambarkan sebagai "sakit secara kritikal".[70][71][72]

Pada 18 Mac 2015, laman web penipuan kematian melaporkan berita palsu tentang kematian Lee. Suspek adalah seorang lelaki yang tidak dikenali yang mencipta laman web palsu yang menyerupai laman web rasmi PMO.[73] Beberapa organisasi berita antarabangsa melaporkan kematian Lee berdasarkan ini dan kemudiannya menarik balik kenyataan mereka.[74][75]

Padq 23 Mac 2015, Perdana Menteri Singapura Lee Hsien Loong mengumumkan kematian bapanya pada usia 91 tahun.[76] Lee meninggal dunia pada jam 03:18 Waktu Piawai Singapura (UTC+08:00).[5][76] Selepas pengisytiharan perkabungan awam,[77] satu persemadian negeri untuk Lee telah diadakan pada 29 Mac dan dihadiri oleh pemimpin dunia.[78] Kemudian pada hari itu, jasad Lee telah dibakar di satu majlis persendirian di Pusat Pembakaran Mayat Mandai.[79]