Katarina hadde et slag den 5. november 1796 og hun døde senere av dette uten å ha kommet til bevissthet. Hun ble begravd på St. Peter og St. Paulus-fortet i St. Petersburg. Hun ble etterfulgt av sin sønn, Paul I av Russland. Han var sønn av en av Katarinas elskere – sannsynligvis Sergej Soltikov, og var ikke hennes favorittsønn. Det gikk rykter om at hun ifølge Peter den stores erklæring om at tsaren selv kunne utrope sin arving ville gi tronen til Pauls sønn Aleksander, men hun gjorde det aldri – kanskje fordi hun fryktet at Aleksander da ville lede et opprør mot henne.