当知道自己的病已不能再挽救时，周恩来一再叮嘱邓颖超：一定遵守过去的约定，死后不要保留骨灰，要将骨灰全部撒到祖国的江河里和土地上。丧事从简，规格不要超过中央任何人，一定不要特殊化。在此之前，周恩来还向邓颖超表示他心里还有很多话没有说出来。
1976年1月1日，周恩来生命垂危，长时间处于昏睡状态。周恩来已经到了“油干灯草尽”的地步。几日来，又出现了“麻痹性肠梗阻”症状。
尽管周恩来已有两个多月没有进食，并且连水也不喝，胃肠道早已空虚，但肠道内仍有自身分泌的一些液体，留下的少许残渣，及细菌发酵和肿瘤细胞产生的毒素等，使得“肠麻痹”，即肠管不会蠕动，残渣排不出去，肠腔内存有的大量气体使肚子明显鼓了起来，疼痛难耐。
1月5日，专家组做了最后一次的努力，为周恩来做最后一次治疗手术——结肠造瘘术。就是在左下腹部开个口子，解决大便不通问题，将肠道里的“残渣余孽”尽量清除出去。1月7日，周恩来再度进入昏迷状态，医生以输氧、鼻饲等方法延续周恩来的生命。晚11时已处于弥留之际，微睁双眼辨认出面前的吴阶平等，周恩来用微弱的声音说：“我这里没有什么事了，你们还是去照顾别的生病的同志，那里更需要你们……”这是周恩来生前说的最后的话。
1976年1月8日上午9时57分，周恩来病逝于中国人民解放军305医院，终年78岁。
