I 1929 dro Melba tilbake til Europa for siste gang og besøkte så Egypt, der hun fikk en feber som hun aldri helt ble frisk av. Den aller siste gangen hun opptrådte i London var ved en veldedighetskonseert den 10. juni 1930. Hun dro tilbake til Australia der hun døde på St Vincent's Hospital i Sydney i 1931, 69 år gammel, av sepsis som hadde utviklet seg etter en ansiktsoperasjon i Europa en tid tidligere. Hun fikk en omfattende begravelse frå Scots' Church i Melbourne, som hennes far hadde bygget og der hun hadde sunget i koret som tenåring. Kortesjen av biler til begravelsen var over en kilometer lang, og døden hennes kom til å bli forsideoverskriften i Australia, Storbritannia, New Zealand og Europa. På reklameskilt i mange land stod det bare: «Melba er død». En del av hendelsen ble filmet. Melba ble begravet på kirkegården i nær Coldstream. Gravstenen hennes ble utforma av sir Edwin Lutyens, og har avksjedsorda frå Mimì i : «Addio, senza rancor» (‘Farvel, utan bitterheit’).