Начался озноб, и она слегла. Болезнь прогрессировала. Врачи поставили диагноз — крупозное воспаление легких. Около месяца она сопротивлялась болезни. Врачи еще не теряли надежду — ждали отхаркивания. Когда оно началось, все в доме вздохнули с облегчением; но утром ей стало еще хуже. Старик-доктор Карелль, всю жизнь пользовавший Наталью Николаевну, утверждал, что за всю свою практику он не встречал такого сложного случая: воспаление охватило весь организм.
Врачи сказали, что сочтены не только ее дни, но и часы. Тогда телеграммами вызвали Марию из Тулы, Александра из Москвы, Григория из Михайловского. Все дети, Пушкины и Ланские, — кроме Натальи Александровны, пребывавшей за границей, — собрались у постели умиравшей. Последней, за день до смерти матери, приехала старшая дочь Мария Александровна.
Понимая, что жить ей осталось немного, она благословила шестерых детей, простилась со всеми домашними, рано утром 26 ноября 1863 года приобщилась Святых Тайн. Затем началась тяжелая агония. В судороге Наталья Николаевна откинулась на левую сторону, хрип становился все тише и тише. В 9 часов 30 минут вечера 26 ноября 1863 года Наталья Николаевна скончалась.
Перед смертью Наталья Николаевна хотела передать письма Пушкина к ней старшей дочери Марии Александровне, но когда та приехала к умиравшей матери, то по ее просьбе уступила их младшей сестре, для которой они могли стать очень нужной ей материальной поддержкой. Наталья Александровна несколько раз пыталась их продать, предлагая купить редактору «Русского вестника», биографу отца П. В. Анненкову, графу В. А. Соллогубу; но сделки не состоялись, так как цена, за которую она соглашалась передать письма, не устраивала потенциальных покупателей. Только в 1876 году 75 писем Пушкина были ею переданы И. С. Тургеневу, который договорился с М. М. Стасюлевичем о их публикации в его журнале «Вестник Европы». Условия публикации были весьма скромные — тысяча рублей и десять экземпляров издания. Только в 1882 году она через старшего брата Александра Александровича передала 63 письма в Румянцевский музей. Что же касается писем Натальи Николаевны мужу, то судьба их неизвестна. Одно несомненно: при отъезде ее из Петербурга в 1837 году они были ей возвращены по ее настоянию.
Некролог в журнале «День», составленный П. И. Бартеневым, гласил:
«26 ноября сего года скончалась в Петербурге на 52-м году Наталья Николаевна Ланская, урожденная Гончарова, в первом браке супруга А. С. Пушкина. Ее имя долго будет произноситься в наших общественных воспоминаниях и в самой истории русской словесности. К ней обращено несколько прекрасных строф, которые и теперь, через 35 лет, когда всё у нас так быстро меняется и стареет, еще приходят на память невольно и сами собой затверживаются. С ней соединена была судьба нашего доселе первого, дорогого и незабвенного поэта. О ней, об ее спокойствии заботился он в свои последние минуты. Пушкин погиб, оберегая честь ее. Да будет мир ее праху.
П. Б. Москва, 4 дек. 1863 г.».
Бартенев писал: «Тесная дружба, соединяющая детей ее от обоих браков, и общее благоговение этих детей к ее памяти служат лучшим опровержением клевет, до сих пор на нее взводимых, и доказательством, что несправедливо иные звали ее „кружевная душа“, тогда как она была красавица не только лицом, а и всем существом своим. Рядилась же по приказанию мужа, который гордился красотою ее и радовался тому, что его невзрачностью оттенялся „чистейшей прелести чистейший образец“, точно так же, как рядом с Вирсавией помещают Арапа. Пушкин до конца любил и берег ее как свое сокровище».
Откликаясь на смерть золовки, Екатерина Николаевна, вторая жена Ивана Николаевича Гончарова, пишет из Яропольца мужу, находившемуся в это время в Москве: «Jean, друг мой, сейчас получила печальную телеграмму из Петербурга. Для тебя это большое горе. Мне страшно подумать о бедном дяде, и Александр тоже горячо любил свою мать. Едешь ли ты или не едешь в Петербург? Если ты решил ехать, то, вероятно, тебя уже нет в Москве». Действительно, Иван Николаевич отправился на похороны сестры в Петербург.
Петр Петрович Ланской пережил жену на 14 лет. Еще в 1849 году во время освящения полкового Благовещенского собора лейб-гвардии Конного полка царь даровал разрешение быть погребенными в нем князю А. Ф. Орлову, при котором собор был заложен, и Ланскому, при котором он был освящен. Если после смерти Орлова его сын воспользовался этой милостью, то Петр Петрович сам от нее отказался, завещав похоронить его рядом с Натальей Николаевной.