保加利亚共产党，季米特洛夫当选为保加利亚共产党中央委员会总书记和部长会议主席，成为保加利亚的最高领导人。1949年7月2日，季米特洛夫因病医治不愈，在莫斯科逝世，终年67岁。遗体经防腐处理置于索菲亚的格奥尔基·季米特洛夫陵寝的水晶棺内供人参观。保加利亚共产党政权瓦解后，陵寝被撤除，遗体下葬普通公墓。
纪念.东欧国家多地以季米特洛夫命名，如季米特洛夫格勒 (保加利亚)、季米特洛夫格勒 (塞尔维亚)、季米特洛夫格勒 (俄罗斯)。乌克兰的米尔诺格勒2016年前也曾以他的名字命名。