1975年春天，他的侄女秉建從內蒙回到北京。得知這一消息，他從病床上掙紮起來，用發抖的手拿著電話筒對秉建說：“你要到基層工作的決心我們支持。”並鼓勵周秉建要好好學習蒙語，更好地向群眾學習。這年秋天，秉建來北京看望他。這時聽他講話隻能貼在嘴上。鄧穎超對秉建說：“你伯父最遵守紀律了，他不會同意你到醫院的，有什麼話我傳達你吧。”在醫院裏，鄧穎超問周恩來有什麼話要告訴秉建，他艱難地說了三個字：“還要看。”鄧穎超回來對秉建說：“伯伯的話是，你過去的成績隻能說明過去，不能代表現在和將來。伯伯對你寄托了無限地希望。”後來，秉建帶著伯父的深切希望，又回到了錫林郭勒大草原，為蒙古族人民繼續服務。這是他最後向自己的親人做囑咐。
1975年的冬天，他在重病中剛剛有點精神，又接見了中華醫學會全國第一屆婦產科學會全體代表，並做了一個多小時的談話。他勉勵婦產科工作者要胸懷世界，眼觀全國，語重心長地說：“我們要象春蠶一樣，把最後一根絲吐出來獻給國家。”與代表合影時，代表要他坐在中間，他不肯，對林巧稚說：“你是學會的主任委員，當仁不讓麼。”結果，他坐在旁邊，留下了難忘的紀念。後來聽說林巧稚的醫院坐車困難，他立即指示撥給林巧稚他們一輛專車。林巧稚被感動地說：“總理對知識分子這樣關心周到，可是他心中卻唯獨沒有自己。”
1975年底，他的病極度惡化，經常處於昏迷狀態。12月20日早七點，他醒來就催秘書打電話，要羅青長來見他。羅青長立即趕到醫院，急忙走進病房。他正發著387℃的高燒，體質相當虛弱，但為了安慰羅青長，他緊緊地握著羅青長的手，強忍病痛，聲音微弱地說：“青長同誌，想不到我一病，病成這個樣子，今天還能見到你……”隨後抓緊時間跟羅青長談台灣情況，關心台灣的同胞和朋友。談著談著聲音低下去，眼睛剛剛漸漸合上，又頑強地掙紮起來，喝了幾口水，又談下去，直到說不出話來，才疲倦地閉上眼睛。稍停片刻，睜開眼說：“我休息十分鍾，你等等，我們再繼續談。”聽到這，羅青長再也禁不住自己淚水了。羅青長靜靜地守在他的身旁，直到下午一點多鍾，他慢慢醒過來，在文件材料上，認真做了批示，用顫抖的手，一筆不苟地署上“周恩來”的名字和年月日。
1976年1月，他與世長辭。他留下的遺囑是：死後，要把骨灰撒到祖國的江河湖海。他真正實踐了自己立下的誓言：“鞠躬盡瘁，死而後已。”他的死震動了全國人民。人們說：“他生不爭名，死不爭地，他活著的時候，不讓人們為他立碑樹傳，可是他那光輝形象永遠留在人們心中，樹起了永不磨滅的豐碑。”