I slutet av 1680-talet började Karl XI:s hälsa försämras, med blodkräkningar, feberanfall och buksmärtor. Efter sin hustru Ulrika Eleonoras död förvärrades hans tillstånd, och under sommaren 1696 plågades han så svårt att han kallade på sina läkare Urban Hjärne och Johan Martin Ziervogel. Trots medicinsk behandling blev smärtorna allt svårare.
I februari 1697 blev de outhärdliga, och han återvände till Stockholm, där läkarna upptäckte en stor förhårdnad i buken. Han låg till sängs från 28 mars och tog den 1 april farväl av sin mor och sina barn. Det sägs att han på dödsbädden erkände för sin mor att han inte känt sig lycklig sedan Ulrika Eleonoras död.
Karl XI avled på kvällen den 5 april 1697, endast 41 år gammal. En obduktion visade att han led av spridd cancer i bukhålan. När slottet Tre Kronor brann den 7 maj, låg kungens kropp fortfarande där men räddades undan lågorna. Han begravdes den 24 november 1697 i Karolinska gravkoret i Riddarholmskyrkan.
I samband med begravningen präglades ett kastmynt i 3.000 exemplar. Ett av de bäst bevarade exemplaren såldes vid MISAB 43, år 2023, i kvalitet 01/0 för 105.000 SEK. Exemplar i mer vanligt förekommande skick, runt 1 och 1/1+, brukar säljas för cirka 10.000 SEK.