Но дон Карлос е все още сред живите и понякога има периоди на просветление, а друг път изпада в умопомрачение. Държат го в строга изолация и не му позволяват дори да напусне стаята си или да се покаже на някои от прозорците. Дневна светлина прониква само от един разположен високо на стената прозорец, а камината е преградена със специална решетка, за да се осуети евентуалното му желание да се хвърли в огъня. Първоначално не му разрешават да присъства на литургия, но по-късно правят специално прозорче с дървени пречки, през което той може да следи църковната служба.
Макар понякога да се надява, че е възможно отново да си възвърне благоволението на своя баща, постепенно принцът изпада във все по-дълбока депресия и замисля да се самоубие. Понеже е чувал, че диамант, попаднал в стомаха на човека, действа като отрова, той се опитва да погълне един свой пръстен. Друг път престава да яде и се налага да бъде хранен насила. „Когато наистина огладнее, той ще поиска да яде“ — заявява Фелипе. На Великден принцът споделя пред Фра Диего де Чавес, личен изповедник на краля, че се надява баща му да му прости. Вече се говори, че той е по-спокоен и по-малко агресивен отпреди. Фелипе пише на сестра си Мария с молба да предаде получената информация на императора на Свещената Римска империя:
„Твое Височество знае, че в някои моменти духът му105 е в по-добро здравословно състояние, отколкото в други, и че недостатъците на неговия характер трябва да бъдат разглеждани по друг начин, когато става дума за държавно управление и публични изяви, отколкото ако беше само частно лице… понеже е възможно някой да е напълно пригоден за публични изяви и същевременно въобще да не е подходящ за управлението на държавата. Твое Височество трябва да разбере, че грешката на принца не се отъждествява с определена негова постъпка, а с невъзможността правилно да разбира нещата, което поради моите грехове Господ е допуснал да се случи на сина ми.“
Така става ясно, че в дъното на тунела не се забелязва дори знак за светлина. Има различни версии за смъртта на дон Карлос, но общото между тях се състои в следното. Подложен на непоносимата лятна жега в Мадрид, принцът лежи чисто гол на леглото, върху което предварително е наредил да се постави лед, донесен от планините. След това яде пастет, приготвен от четири яребици и изпива големи количества леденостудена вода. Физически неиздържлив, той се разболява и вдига висока температура; призори на 24 юли 1568 г. умира. Твърди се, че в предсмъртния си час бил с ясен разсъдък и починал в мир със своя Създател, но да не забравяме, че подобно съобщение е запазено и за смъртта на неговата прабаба.
Едва ли са били много тези, които тъгуват за смъртта на този неспокоен дух. „Неговото преселение на небето представлява голямо облекчение за целия християнски свят, защото, ако беше останал по-дълго сред живите, той несъмнено щеше да го унищожи. Неговото психическо състояние и навиците му бяха напълно объркани. Затова той си е много добре там горе и всички ние, които го познавахме, благодарим на Бога за неговата смърт“ — пише пратеникът на херцога на Алба. Фелипе заповядва да се обяви деветдневен траур в кралството и едногодишен в кралския двор. Мащехата на дон Карлос, Елизабет дьо Валоа, изглежда, скърби много повече от баща му. „Искам да ви уверя, че страдам от това нещастие не по-малко, отколкото ако принцът ми беше истински син“ — пише тя на височайшия си съпруг. Нейното здраве впрочем също се влошава и тя умира на 3 октомври 1568 г., ненавършила двадесет и три годишна възраст, като преди това е родила една дъщеричка, починала скоро след раждането си. През остатъка от своя дълъг живот Фелипе винаги е облечен в черно, освен ако държавните церемонии не изискват по-специално облекло. Така Испанската империя остава без наследник на короната; много по-късно Фелипе се оженва за принцеса Ана Австрийска, за която неговият нещастен син е бил почти сгоден.
Естествено, злите езици на неговите противници не стоят безучастни. „Испанският престолонаследник почина при много подозрителни обстоятелства — съобщава английският посланик д-р Ман на секретаря на кралицата Сесил на 28 август. — Причината за неговото заболяване е, че в продължение на няколко дни не е ял нищо, а след това е пил много студена вода и е ходил бос заради жегите. Вследствие от това стомахът му, отслабнал от гладуването, не е бил в състояние да понесе никакво натоварване.“ (Calendar of State Papers, Elizabeth, 1556–1558. Foreign. Ed. 1871, pp. 513, 534). В своята „Апология“ от 1581 г. нидерландският водач Вилхелм Мълчаливия, заявява, че дон Карлос е жертва на бащината си омраза и на Испанската инквизиция: „Като се започне с това, че е толкова противоестествено един баща да умъртви собствения си син и наследник и се стигне дотам, че папата да си направи оглушки и да даде разрешение за един толкова кръвосмесителен брак.“ (Явно се прави намек за бракосъчетанието на Фелипе II с неговата племенница Ана Австрийска.) Бившият секретар на крал Фелипе — Антонио Перес, който през 1593 г. търси политическо убежище във Франция, твърди, че в продължение на четири месеца е поставял отрова в храната на принца.