1867 besuchte er noch mit seinem Enkel König Ludwig II. die Pariser Weltausstellung. Ludwig I. starb am 29. Februar 1868 im Alter von 81 Jahren in Nizza in einer Villa, die er für den Winter gemietet hatte. Zuletzt hatte er mit körperlichen Gebrechen gekämpft, ohne seinen Tagesablauf zu ändern. Füße und Unterschenkel waren angeschwollen, er hatte Atembeschwerden und unruhige Nächte waren die Folge. Zwei Operationen an den Beinen bereiteten ihm leichte Linderung, doch es stand zunehmend ernst um ihn. Seine beiden überlebenden Söhne Luitpold und Adalbert wurden telegraphisch nach Nizza gerufen, in deren Beisein er die letzte Ölung empfing und kurz darauf starb er. Mit einem Sonderzug wurde der Leichnam nach München überführt. Er ist seinem Wunsch entsprechend in der Basilika St. Bonifaz in München begraben. Sein Herz wurde getrennt bestattet und befindet sich in der Gnadenkapelle von Altötting.