八十七届国会寻求连任，但在1960年11月8日当选为1961年1月3日起新一届的美国参议院议员。然而，他在当年12月在怀俄明州科迪因心脏病发逝世。民主党的怀俄明州州长继承了他遗下的参议员议席，唯在1962年的特别选举中被共和党籍的击败。其遗体被葬于阿灵顿国家公墓。汤姆森死后，他的妻子在1962年当选为；她连任此职位五届到1987年，共担任了24年。