国玺的医疗团队发现癌细胞已经转移到脑部及骨骼，8月20日再度因为肺炎住院。8月22日上午还亲自主持弥撒，但晚间病情突然恶化，当天下午6时42分（台湾时间）因急性肺炎引发器官衰竭，病逝于新店耕莘医院，享寿89岁。单国玺逝世隔日（8月23日），高雄教区刘振忠总主教率员将单国玺移灵到高雄，并在当日下午举办追思弥撒，由台北总教区洪山川总主教主祭、教廷驻台代表陆思道蒙席、台北总教区荣休总主教狄刚等神职人员共祭。同时，辅仁大学网站将首页、各主要网页改为黑白（至新学期开学），以资悼念。台湾天主教会于9月1日在高雄市道