Kleopatra
selaku seorang "efebos" (taruna akademi militer). Keputusan ini, serta keterangan dari relief pada sebuah tugu prasasti di Koptos yang bertarikh 21 September 31 SM, menunjukkan bahwa kala itu Kleopatra sedang mempersiapkan putranya menjadi penguasa tunggal Mesir. Untuk menunjukkan rasa kesetiakawanannya, Markus Antonius juga mengirim Markus Antonius Antilus, putra dari perkawinannya dengan Fulvia, untuk menjalani
pelatihan sebagai "efebos" pada waktu yang sama. Markus Antonius dan Kleopatra mengirim pesan dan dutanya masing-masing kepada Oktavianus, yang kala itu masih bermarkas di Rodos, tetapi Oktavianus hanya mengirim balasan kepada Kleopatra. Kleopatra meminta agar anak-anaknya dibenarkan mewarisi tanah Mesir, dan Markus Antonius dibiarkan hidup sebagai orang
buangan di Mesir. Kleopatra juga mengirim hadiah-hadiah mahal dan berjanji akan memberikan sejumlah uang di kemudian hari. Oktavianus mengutus diplomatnya yang bernama Tirsos ke Mesir setelah Kleopatra mengancam akan membakar diri bersama sejumlah besar harta kekayaannya di dalam sebuah gedung makam yang kala itu sedang dikerjakan. Tirsos membujuk Kleopatra untuk
membunuh Markus Antonius demi keselamatan nyawa Kleopatra sendiri. Markus Antonius dapat mengendus rencana kotor itu, dan memerintahkan agar Tirsos didera serta dipulangkan kepada Oktavianus tanpa kesepakatan apa-apa.
Setelah negosiasi panjang tanpa hasil, Oktavianus akhirnya bertolak dari Rodos dalam rangka menginvasi Mesir pada musim semi tahun 30 SM. Setelah singgah di bandar Ptolemais di Fenisia untuk mengambil perbekalan segar yang disediakan sekutu barunya, Herodes, bagi bala tentaranya, Oktavianus bergerak ke arah selatan dan merebut bandar Pelousion dalam waktu yang singkat. Sementara itu,
Kornelius Galus bergerak dari Kirene ke arah timur, dan mengalahkan kekuatan tempur Markus Antonius di dekat Paraitonion. Oktavianus dengan cepat bergerak menuju Aleksandria, tetapi Markus Antonius datang kembali dan berhasil mengalahkan bala tentara Oktavianus yang sudah kelelahan di luar hipodromos kota itu. Meskipun demikian, pada tanggal 1 Agustus 30 SM, armada Markus Antonius membelot kepada Oktavianus, disusul
pasukan berkudanya. Kleopatra bersembunyi di dalam gedung makamnya, ditemani para pengawalnya yang setia, lalu mengirim kabar kepada Markus Antonius bahwa ia telah bunuh diri. Markus Antonius, yang terguncang mendengar kabar itu, menikam perutnya sendiri dan menjemput ajal pada umur 53 tahun. Menurut Ploutarkos, Markus Antonius masih meregang nyawa ketika dibawa ke gedung makam
Kleopatra, sehingga masih sempat berkata kepada Kleopatra bahwa ia gugur dengan mulia. Sebelum menghembuskan nafas terakhir, Markus Antonius menasihati Kleopatra agar lebih percaya pada Gayus Prokuleyus daripada anak-anak buah Oktavianus yang lain. Meskipun demikian, justru Gayus Prokuleyuslah yang menyusup ke dalam gedung makam dengan menggunakan tangga dan membekuk
Kleopatra untuk mencegahnya membakar diri bersama harta kekayaannya. Kleopatra diizinkan membalsem dan menyemayamkan jenazah Markus Antonius di dalam gedung makamnya sebelum dikawal pulang ke istana. Oktavianus memasuki Aleksandria, menduduki istana, dan menawan tiga anak Kleopatra yang paling kecil. Sejarawan Romawi, Titus Livius, meriwayatkan bahwa ketika bertatap muka dengan
Oktavianus, tanpa tedeng aling-aling Kleopatra berkata, "aku tidak sudi diarak dalam pawai kemenangan" (). Kalimat ini adalah salah satu dari segelintir ucapan lisan Kleopatra yang diabadikan dalam catatan sejarah. Oktavianus berjanji akan membiarkannya tetap hidup namun tidak menjelaskan apa-apa mengenai rencananya terhadap masa depan Kerajaan Wangsa
Ptolemaios. Ketika diberi tahu oleh seorang mata-mata bahwa tiga hari lagi Oktavianus akan memberangkatkannya bersama anak-anaknya ke Roma, Kleopatra pun segera bersiap-siap untuk bunuh diri lantaran tak sudi diarak dalam pawai kemenangan bala tentara Romawi seperti yang pernah dialami oleh mendiang adiknya, Arsinoe IV. Kleopatra bunuh diri pada
bulan Agustus 30 SM, saat berumur 39 tahun, tetapi tidak diketahui secara pasti apakah ia bunuh diri di istana atau di gedung makamnya. Konon ia ditemani oleh dua orang abdi setianya, Eiras dan Karmion, yang juga bunuh diri. Oktavianus dikabarkan sangat murka akibat peristiwa ini, tetapi memerintahkan agar jenazah Kleopatra dimakamkan menurut adat istiadat
kerajaan, sebelah-menyebelah dengan jenazah Markus Antonius di dalam gedung makamnya. Olimpos, tabib pribadi Kleopatra, tidak menjelaskan sebab-musabab kematiannya, tetapi menurut keyakinan umum, Kleopatra tewas termakan racun setelah membiarkan dirinya dipatuk seekor aspis atau ular kobra Mesir. Ploutarkos meriwayatkan kembali kisah dipatuk ular ini, tetapi mengungkapkan
pula dugaannya bahwa Kleopatra memasukkan racun ke dalam tubuhnya melalui goresan dengan menggunakan alat khusus (, duri, serutan keju). Menurut Kasius Dio, Kleopatra mencocokkan racun ke dalam tubuhnya dengan sebatang jarum (), sementara menurut Strabo, Kleopatra menggunakan semacam salep beracun. Tidak ada bekas-bekas bisa ular pada jenazahnya, tetapi memang ada bekas-bekas luka kecil pada lengannya yang mungkin disebabkan oleh tusukan jarum.
Kleopatra memanfaatkan saat-saat terakhirnya menjelang bunuh diri untuk mengungsikan Kaisarion ke daerah Mesir Hulu, mungkin pula disertai rencana pelarian ke Nubia, Etiopia, atau India. Kaisarion diperdaya untuk pulang ke Aleksandria dengan janji palsu bahwa Oktavianus akan mengizinkannya menjadi raja. Ia sempat memerintah sebagai Firaun Ptolemaios XV selama 18 hari
sebelum akhirnya dieksekusi mati atas perintah Oktavianus pada tanggal 29 Agustus 30 SM. Oktavianus diyakinkan oleh nasihat filsuf Areios Didimos bahwasanya dunia ini hanya dapat menampung satu orang kaisar. Dengan runtuhnya Kerajaan Wangsa Ptolemaios, maka didirikanlah Provinsi Mesir di bawah pemerintahan bangsa Romawi, yang menandai akhir dari Zaman Helenistik. Pada
bulan Januari 27 SM, Oktavianus berganti nama menjadi Agustus (, yang mulia) dan menghimpun kekuasaan konstitusional yang menjadikannya Kaisar Romawi pertama, sekaligus menandai awal Zaman Principatus dalam sejarah Kekaisaran Romawi.
Sebagaimana lazimnya para penguasa Makedonia Abad Kuno, Kleopatra memerintah Mesir beserta tanah-tanah jajahannya semisal Siprus selaku seorang kepala monarki yang berkuasa mutlak, dan mengemban kewenangan selaku satu-satunya pembuat undang-undang di kerajaannya. Ia adalah kepala pemuka agama di wilayah kekuasaannya, yang memimpin upacara-upacara
pemujaan dewa-dewi Mesir maupun Yunani. Ia menyelenggarakan kegiatan pembangunan berbagai macam kuil pemujaan dewa-dewi Mesir dan Yunani, sebuah sinagoga bagi umat Yahudi di Mesir, dan bahkan membangun gedung Kaisareion Aleksandria, tempat orang memuja Yulius Kaisar, pelindung sekaligus kekasihnya. Kleopatra secara langsung menangani urusan-urusan administratif di wilayah
kekuasaannya. Ia menanggulangi kegentingan seperti bencana kelaparan dengan memerintahkan lumbung-lumbung kerajaan membagi-bagikan bahan pangan kepada rakyat yang kelaparan dilanda musim kemarau pada permulaan masa pemerintahannya. Meskipun sistem ekonomi terpimpin yang ia terapkan hanya tinggal cita-cita besar yang tak banyak terwujud, pemerintahannya telah berupaya
memberlakukan pengendalian harga, pengenaan bea, dan monopoli negara atas barang-barang tertentu, mematok nilai tukar yang tetap terhadap mata uang asing, serta menegakkan aturan hukum ketat yang mewajibkan para petani untuk bermukim di desa masing-masing selama musim tanam dan musim panen. Gejolak keuangan yang tampak jelas di depan mata mendorong Kleopatra menurunkan nilai
uang logam keluaran masa pemerintahannya, yang terdiri atas uang perak dan uang perunggu namun tanpa uang emas seperti yang dahulu kala pernah diterbitkan oleh beberapa penguasa dari wangsa Ptolemaios.