Chamberlain demitiu-se de Primeiro-Ministro no dia 10 de Maio de 1940, depois de os Aliados terem sido forçados a retirar da Noruega, pois acreditava ser essencial um governo constituído por todos, e os partidos Trabalhista e Liberal não se juntariam a um governo por ele liderado. Sucedeu-lhe Winston Churchill, e manteve-se bem visto no Parlamento, em particular entre os Conservadores. Antes de a sua saúde o forçar a abandonar o governo, foi um membro importante do gabinete de guerra de Churchill, chefiando-o na ausência deste. Chamberlain morreu de câncer no intestino seis meses depois de deixar a liderança do governo, em 9 de novembro de 1940. Seu funeral ocorreu na Abadia de Westminster (devido a preocupações de segurança em tempo de guerra, a data e a hora não foram amplamente divulgadas), e suas cinzas foram enterradas no mesmo local, junto de Andrew Bonar Law.