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。以他命名的格奥尔基·季米特洛夫勋章，是保加利亚最高级别的勋章。