Pada bulan-bulan berikutnya, Fox menerima berkali-kali rawatan kemoterapi; malangnya, penyakitnya masih merebak.[57] Apabila keadaannya bertambah buruk, rakyat Kanada mengharapkan mukjizat sementara Paus John Paul II menghantar telegram doanya untuk Fox.[58] Para doktor beralih kepada rawatan interferon ujikaji, biarpun keberkesanannya terhadap sarkoma osteogenik tidak diketahui.[59] Fox mengalami reaksi mudarat pada rawatan pertamanya,[60] tetapi meneruskan program selepas berehat seketika.[61]

Fox dikejarkan semula ke hospital pada 19 Jun 1981 kerana sesak nafas dan mendapat pneumonia.[62] Beliau menjadi koma dan meninggal dunia pada 4:35 pagi PDT pada 28 Jun 1981, dengan saudara-mara di sampingnya.[63] Kerajaan Kanada mengarahkan semua bendera dikibarkan separuh tiang di seluruh negara dalam penghormatan luar jangkaan yang biasanya ditempah untuk para negarawan.[64] Dalam ucapan di depan Dewan Rakyat Kanada, Trudeau berkata, "Amat jarang sekali dalam riwayat sebuah bangsa bahawa semangat berani seorang insan menyatukan seluruh rakyat dalam meraikan kehidupannya dan meratapi pemergiannya ... Kita tidak mengingatinya sebagai seorang yang ditimpa malang, tetapi seorang yang mengilhamkan kita dengan contoh kejayaan semangat insan melawan kesusahan".[65]

Upacara pengebumiannya yang dihadiri oleh 40 sanak-saudara dan 200 tetamu,[65] disiarkan di televisyen seluruh negara; diiringi upacara peringatan oleh jutaan komuniti seluruh Kanada.[66] Upacara peringatan awam diadakan di Bukit Parlimen di Ottawa,[67] dan rakyat Kanada sekali lagi membanjiri pejabat Persatuan Barah dengan dermaan.[68]