Både den norska Nobelkommittén och FN uppmanade Kina att befria Liu Xia.
Hon har hållits i husarrest utan åtal sedan 2010.
Kina har avvisat internationell kritik för att han inte har tillåtit Liu, som hade avtjänat ett 11-årigt fängelsestraff för "subversion", att behandlas utomlands.
Nobelkommittén, som gav honom fredspriset 2010, sade att Peking hade ett "tungt ansvar" för hans död.
Kommitténs ledare Berit Reiss-Andersen säger att det kinesiska konsulatet i Oslo har vägrat att ta emot sin visumansökan för resor så att hon kan närvara vid en eventuell begravning för Liu.
Hon berättade för BBC att hon ville visa sin respekt för dissidentens familj "i denna tragiska situation" men att Peking hade missat ett tillfälle att göra en "fantastisk gest" genom att låta henne göra det.
Under kontroversen förskjuts uppmärksamheten till Lius hustru, med allt större oro för hennes mentala hälsa.
I ett uttalande sade den norska Nobelkommittén att den var "djupt oroad över Liu Xias situation" och uppmanade de kinesiska myndigheterna att "lyfta alla restriktioner som de har satt på henne".
"Om hon vill lämna Kina finns det ingen anledning att neka henne möjligheten att göra det."
Liu Xia, en poet, sägs lida av depression efter att ha tillbringat åratal under husarrest och omfattande övervakning. Hon fick besöka sin man på sjukhus.
"Hon har blivit, vad ska jag säga, förorenad av sin makes situation," Ms Reiss-Andersen berättade BBC.
"Hon har hållits i husarrest och har varit isolerad i flera år nu... och hon har inte varit en politisk aktivist som hennes man har varit."
Tyskland, Storbritannien, Frankrike, Förenta staterna och Taiwan har uppmanat Kina att låta henne lämna landet om hon så önskar.
Uppmaningen stöddes av FN:s högkommissarie för mänskliga rättigheter, Zeid Ra'ad Al Hussein, som uppmanade Kina att "garantera Liu Xias fria rörlighet".
Rättighetsgruppen Amnesty International har startat en petition för hennes frigivning, säger "det är dags att de kinesiska myndigheterna slutar grymt straffa" konstnären.
Den kinesiska utrikesministeriet sade Liu Xia skulle behandlas i enlighet med lagen.
Läs mer: Liu Xiaobo liv
Ministeriet slog tidigare tillbaka på kritiken mot Pekings behandling av Liu och sade: "Hanteringen av Liu Xiaobos fall hör till Kinas inre angelägenheter, och främmande länder har ingen möjlighet att göra felaktiga anmärkningar."
Liu vann Nobels fredspris 2010 för sin "långa och icke-våldsamma kamp för grundläggande mänskliga rättigheter i Kina", men han fick inte resa till Norge för att acceptera den.
Kinesiska myndigheter meddelade förra månaden att han hade levercancer och flyttade honom från fängelset till ett sjukhus i den nordöstra staden Shenyang, där han hölls under stor säkerhet.
Under sina sista dagar uppmanade västländerna upprepade gånger Kina att ge Liu tillstånd att söka palliativ behandling på annat håll, vilket Peking vägrade.
Kinesiska medicinska experter insisterade på att han var för sjuk för att resa, även om västerländska läkare som undersökte honom var oense.
Liu dog "fredligt" på torsdag eftermiddag, omgiven av sin fru och andra släktingar, sade hans huvudläkare Teng Yue'e. Hans sista ord till sin fru var: "Lev vidare."
På det kinesiska fastlandet har internationella rapporter om Liu Xiaobos död censurerats, och lokala medier har praktiskt taget inte haft några rapporter förutom den glesa täckningen på engelska, säger korrespondenter.
Kommunistpartiets språkrör Global Times sade i en engelsk ledare att Liu var "ett offer som leddes vilse" av väst.
På nätet i Kina verkar många kommentarer om hans död på sociala medier också ha censurerats.
Enligt den tyske aktivisten Tienchi Martin-Liao har myndigheterna uppmanat Lius vänner i Kina att inte anordna några minneshögtider, som sade till BBC att "många redan har kvarhållits".
Men utanför fastlandet har kinesiska aktivister öppet sörjat honom, med hundratals i Hong Kong närvarande en vaka på torsdag kväll.
Den kommitté som delar ut Nobels fredspris säger att den är "djupt oroad" över änkan i Liu Xiaobo, Kinas mest framstående kritiker som dog av levercancer på torsdag.