从签字现场回来后，李鸿章就开始大口吐血，"紫黑色，有大块"、"痰咳不支，，饮食不进"，后被诊断为胃血管破裂。11月7日，李鸿章身体情况迅速恶化。当时留京办事大臣那桐深感李鸿章危在旦夕，遂致电行在军机处，请朝廷预备重臣接替李鸿章，随即又给布政使周馥发电，要他迅速来京照顾李鸿章。
周馥是李鸿章的心腹，他深受李鸿章的信任，当周馥来到贤良寺时，发现李鸿章已经穿上了殓衣，"于呼之能应口不能语的状态。延至次日中午，目犹瞠视不瞑。"据《周馥自定年谱》描述，李鸿章久久不愿断气，这时周馥在他耳边说道：
"老夫子有何心思放不下，不忍去耶？公所经手未了事，我辈可以办了，请放心去吧！"李鸿章这才气绝身亡，时年78岁。李鸿章去世消息传来后，慈禧太后立即给他安排了高规格的葬礼，
"锡祭葬，赠太傅，晋封一等候，谥文忠。入祀贤良祠，赏银五千两治丧，立功省份建立专祠；政功战绩，宣付史馆，并命於京师特建专祠。汉臣祀京师，盖异数也。"
参考资料：《清史稿》、《周馥自定年谱》、《李鸿章传》
