ตั้งแต่ปลายปีระกา ตรีศก จุลศักราช ๑๒๒๓ ตรงกับพุทธศักราช ๒๔๐๔ พระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าฯทรงพระประชวรมีพระอาการต่างๆ ไม่เป็นไปโดยปรกติ ไม่สบายพระองค์เรื่อยมา
จนถึงเดือน๖ ปีฉลู สัปตศก จุลศักราช ๑๒๒๗ ทรงพระประชวรมาก พระกายทรุดโทรม พระกำลังหย่อนลง แพทย์หมอหลายพวกหลายเหล่าถวายพระโอสถแก้ไข พระอาการคลายบ้าง แล้วทรุดไปเล่า จนถึงวันอาทิตย์ เดือน๒ แรม ๖ ค่ำ ปีฉลู สัปตศก เวลาเช้า๓โมง คือ๙ นาฬิกา แต่เที่ยงคืน เมื่อเวลาพระอาทิตย์ สถิตราศีธนู องศา ๒๕ (วันอาทิตย์ที่ ๗ มกราคม พ.ศ.๒๔๐๘ เวลา ๐๙.๐๐) เสด็จสวรรคต สิริพระชนมายุตามจันทรคติอย่างชาวสยามใช้ ได้ ๕๗ ปี กับ ๕เดือน กับ ๕ วัน นับเป็นวันได้ ๒๐๙๔๓ กับเศษอีก ๔ ชั่วโมง
อาการประชวรของพระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว คือวัณโรค สมัยนั้นเป็นโรคร้ายแรงพอๆกับมะเร็ง เพราะรักษาไม่หาย ไม่มียาดีเหมือนสมัยนี้
ตามประวัติเล่าว่าเสด็จไปเที่ยวรักษาพระองค์ตามหัวเมือง มักจะเสด็จไปประทับตามถิ่นที่มีบ้านลาว เพราะโปรดฯแอ่วลาว สถานที่ที่เสด็จก็เป็นบ้านสัมปะทวน แขวงจังหวัดนครชัยศรีบ้าง ทางเมืองพนัสนิคมบ้าง แต่ไปประทับที่ตำหนักบ้านสีทา แขวงจังหวัดสระบุรีโดยมาก
ดิฉันไม่ทราบว่าสมัยนั้นหมอไทยแนะนำการรักษาอย่างไร ต้องถามคุณหมอ CVT แต่เคยอ่านพบว่าฝรั่งรักษาวัณโรคด้วยการให้คนป่วยโยกย้ายไปอยู่ในที่อากาศดี เชื่อว่าอากาศในทุ่งกว้าง รักษาโรคนี้ได้ ถ้าอยู่ในเมืองมักไม่รอด
สมเด็จพระปิ่นเกล้าอาจจะเสด็จไปหัวเมืองเพราะมีหมอฝรั่งทูลแนะนำก็เป็นได้
อย่างไรก็ตาม ทรงไม่หายขาด พ.ศ. ๒๓๑๘ พระอาการหนักลง ต้องเสด็จกลับกรุงเทพ ถึงกำหนดพระฤกษ์จะได้ทำการพระราชพิธีโสกันต์พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยูหัว พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอย่หัวทรงพระราชดำริว่าสมเด็จพระอนุชาธิราชประชวรมาก จะโปรดฯให้เลื่อนงานโสกันต์ไป ความทราบถึงพระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัว กราบทูลขออย่าให้เลื่อนงาน ว่าพระองค์ประชวรมากอยู่แล้วจะไม่ได้มีโอกาสสมโภช จึงต้องโปรดฯให้คงงานไว้ตามพระฤกษ์เดิม
ครั้นถึงงาน พระบาทสมเด็จพระปิ่นเกล้าเจ้าอยู่หัวดำรัสสั่งให้เจ้าพนักงานเตรียมกระบวนจะเสด็จลงมาจรดพระกรรไกรพระราชทาน พระบาทสมเด็จพระจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวก็ต้องรับสั่งให้ทอดที่ราชอาสน์เตรียมไว้รับเสด็จตามเคย ทั้งทรงทราบอยู่ว่าพระอาการมากจะไม่เสด็จลงมาได้ โดยจะมิให้สมเด็จพระปิ่นเกล้าฯน้อยพระทัย ด้วยทรงพระเมตตาพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวมาก รับสั่งเล่าว่า เมื่อยังทรงพระเยาว์อยู่นั้น เสด็จขึ้นไปเฝ้าเมื่อใด มักดำรัสเรียกเข้าไปใกล้แล้วยกพระหัตถ์ลูบ รับสั่งว่า "เจ้าใหญ่นี่แหละ ต่อไปจะเป็นที่พึ่งของญาติได้"
พอถึงวันสุดงานพระราชพิธีโสกันต์ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ก็เสด็จสวรรคตที่พระที่นั่งอิศเรศราชานุสรณ์ พระชนมายุได้๕๘ พรรษา