В октябре 1709 года болезнь святого обострилась. Он тяжело страдал, особенно от кашля. 26 октября, в день своего тезоименитства, святитель сам отслужил литургию в соборе, но проповедь говорить уже не мог; ее прочитал один из певчих. За обеденным столом Димитрий сидел с гостями, хотя чувствовал себя совсем плохо.
Сохранилось письмо святителя Димитрия, датированное 27 октября 1709 года. Старец не столько жалуется на болезнь, сколько рассказывает о своих недугах и даже отчасти пытается шутить. «Аз же изнемогаю. Прежде бывало мое здравие пополам: полуздрав и полунедужен. А ныне недугование превозмогает, и едва доля здравия остается, обаче будто мужаюся и движуся о Господе моем, в Его же руку живот мой. Дела ныне никакого не делаю: до чего не примусь, все из рук падает; дни мне стали темны, очи мало видят, в нощи свет свещный мало способствует, паче же вредит, егда долго в письмо смотрюся, а недугование заставляет лежать и стонать».
В этот день, 27 октября, святитель посетил инокиню Варсонофию Козицкую — кормилицу царевича Алексея, которую он сам постригал в монахини; обратный путь оказался так труден для него, что святой едва мог дойти до своей кельи. Вечером, чтобы облегчить кашель, он стал ходить по келье, и его вынуждены были поддерживать за руки два служителя. Он позвал к себе певчих, и те начали петь духовные песни, в том числе и сочиненные им самим:
Затем Димитрий отпустил певчих, оставив лишь одного из них, Савву Яковлева, более других любимого им за усердие в переписывании его сочинений. Святитель начал рассказывать ему о своей жизни — о юности, о том, что с ним происходило в зрелые годы, а затем, отпустив, благословил и при прощании поклонился едва ли не до земли. «Мне ли, владыко святый, последнейшему рабу твоему, ты так кланяешься?» — со страхом и благоговением спросил певчий. Димитрий же вновь повторил с кротостью: «Благодарю тебя, чадо». Певчий заплакал и удалился. После этого святитель приказал служителям разойтись, а сам наедине стал возносить молитвы к Богу. На утро следующего дня, 28 октября, служители, войдя в келью, нашли его мертвым. Он скончался во время молитвы, на коленях.
В тот же день тело было перенесено в домовую церковь и положено в гроб. По завещанию святителя, гроб выстлали его черновыми бумагами. Святой не оставил после себя никакого имущества, только рукописи и книги. 30 октября тело с подобающими почестями перенесли в соборную церковь города Ростова. Множество людей приходило проститься с угодником Божиим. Вскоре прибыл митрополит Рязанский Стефан Яворский, местоблюститель патриаршего престола, давний друг митрополита Димитрия, тоже украинец. Как и было уговорено между ними, Стефан предал земле тело святителя Димитрия в Спас-Иаковлевском Ростовском монастыре. Это случилось 25 ноября. Произнося надгробное слово, Стефан несколько раз воскликнул: «Свят, Димитрий, свят!» В стихах, написанных им на кончину Димитрия Ростовского, в частности, говорилось:
Мощи святителя Димитрия почивали под спудом и были обретены в 1752 году, когда начали разбирать ветхий пол храма. Тогда же у гроба стали совершаться многочисленные исцеления. 22 апреля 1757 года святитель Димитрий был причтен к лику святых. По поручению Священного Синода Арсений, митрополит Ростовский, написал его жизнеописание; служба святому Димитрию составлена Амвросием, епископом Переяславским, впоследствии архиепископом Московским.
Церковь празднует память святителя Димитрия, митрополита Ростовского, чудотворца, 21 сентября (4 октября), а также 28 октября (10 ноября).
Жития святых на русском языке, изложенные по руководству Четьих Миней св. Димитрия Ростовского с дополнениями из Пролога. М., 1902–1911. сентябрь;