吸困难送往台大医院转到台北荣总，确诊为急性心肌梗塞、併发急性心脏衰竭及急性肺水肿；2月2日，曾一度发生心跳停止，后经抢救恢复心跳；2月14日晚上，出现败血性休克现象；于2月15日0时33分，不幸病逝于台北荣民总医院，享寿92岁。孙运璇逝世后，灵堂设于荣总介寿堂，供民众哀悼，总统陈水扁颁发褒扬令给予褒扬：2月25日由总统府指示以国丧大礼办理治丧事宜，由前副总统连战担任主祭，覆以中华民国国旗、国民党党旗，时任总统陈水扁、副总统吕秀莲及五院院长皆前往致祭。公祭结束后火化，骨灰安葬于基隆市七堵区的欣欣安乐园