Zhou masuk hospital pada tahun 1974, akibat kanser pundi, tetapi beliau masih meneruskan kerjanya dari hospital, dengan Deng Xiaoping selaku Timbalan Perdana Menteri Pertama menangani kebanyakan hal-ehwal Majlis Negara. Beliau meninggal dunia pada waktu pagi 8 Januari 1976, lapan bulan sebelum kematian Mao Zedong. Semasa Zhou dalam keadaan yang genting, Mao enggan ke hospital untuk melawatnya, walaupun dipujuk oleh banyak orang. Pembelaan Mao adalah bahawa beliau bukannya seorang doktor. Selain itu, Mao juga enggan menyertai upacara pengebumian Zhou. Mengikut khabar-khabar angin, Mao mengarahkan sebilangan orang untuk bermain bunga api selepas beliau mendapat tahu tentang kematian Zhou.

Kematian Zhou menghasilkan banyak perutusan takziah daripada negara-negara berkecuali yang hubungannya telah dijalin oleh Zhou semasa merupakan diplomat dan perunding yang berkesan di pentas dunia. Banyak negara memperlihatkan kematiannya sebagai satu kerugian yang besar. Mayat Zhou dibakar dan abu-abunya diselerakkan melalui udara ke merata-rata bukit dan lembah menurut keinginannya.

Di dalam negara, pembantu-pembantu Mao, iaitu Geng Empat yang termasuk Jiang Qing, memerperlihatkan kematian Zhou sebagai suatu peluang yang baik untuk merampas kuasa dan memajukan politik mereka kerana halangan utama mereka yang terakhir kini telah hilang. Dalam upacara pengembumian Zhou, Deng Xiaoping menyampaikan eulogi rasmi, tetapi beliau kemudian disingkirkan dari arena politik sehingga selepas kematian Mao.

Oleh sebab Zhou amat popular di kalangan rakyat Cina, banyak orang berkabung secara spontan di seluruh China. Geng Empat melihatkan ini sebagai sesuatu yang berbahaya kerana mereka takut bahawa rakyat akan mempergunakan peluang ini untuk mengemukakan kebencian terhadap mereka. Pada masa Peristiwa Tiananmen dalam bulan April 1976, para pemimpin parti termasuk Mao mencuba menyekat perkabungan untuk "Perdana Menteri Yang Disayangi", dan mengakibatkan rusuhan. Puisi-puisi anti-Mao dan anti-Geng Empat ditemukan di sebilangan lingkaran bunga, dan semua lingkaran bunga kemudian ditiadakan di Tugu Peringatan Pahlawan Rakyat. Tindakan-tindakan tersebut hanya menerukkan kemarahan rakyat. Beribu-ribu askar-pekerja menumpaskan bantahan rakyat di Dataran Tiananmen dengan kejam, dan ratusan orang ditangkap. Pengerusi Mao menyalahkan Deng Xiaoping kerana pergerakan ini dan memecatnya daripada semua jawatan rasmi.

Selepas kematian Zhou, sebuah dewan peringatan di Tianjin telah didedikasikan kepada beliau dan isterinya, dan dinamai "Dewan Peringatan Zhou Enlai Deng Yingchao" (天津周恩來鄧穎超紀念館). Sebuah arca juga dibina di bandar raya Nanjing, tempat yang Zhou bertugas dengan Kuomintang pada dekad 1940-an. Setem-setem negara juga dikeluarkan pada tahun 1977 untuk memperingati ulang tahun pertama kematian Zhou, dan sekali lagi pada tahun 1998 untuk merayakan hari jadinya yang keseratus.