癌在北平病逝，享年54岁。张西曼逝世后，周恩来、郭沫若分别为其题写了墓碑和碑文，高度赞扬了张西曼。
身后.张西曼临终留下遗言，将遗体捐赠给协和医院。张西曼病逝后，随即成立了由董必武、周恩来、林伯渠、李维汉、李达、周扬、郭沫若、李济深、沈钧儒、马叙伦、陈绍禹（王明）、陈其瑗、章伯钧、蔡廷锴、谭平山、邓初民、沈雁冰、许德珩、齐燕铭等19人组成的治丧委员会。此外还成立了以政务院副秘书长齐燕铭为首的张西曼遗着整理委员会。1949年8月，周恩来应张西曼的遗孀魏希昭之请，亲笔题写了“张西曼教授