出访柬埔寨参加东盟“10+1”和“10+3”经济部长会议前，到上海检查身体时，就发现健康出了状况。当时，商务部刚成立，事情千头万绪；再加上中国加入世贸组织后，外贸争端日益增多，政治压力不断增大，吕福源没有同意立刻动手术的建议。9月8日他还依旧按计划飞往墨西哥坎昆参加世界贸易组织新一轮贸易谈判。这也是吕福源最后一次出现在公众的视野中。回国后，他就在上海动了手术，确诊是肝癌；医生说，顶多再维持3个月。手术后，吕福源回到北京继续化疗，先在301医院，后来转到协和医院。最终，还是没能挽救他的生命。在吕福源病逝两