El 23 de mayo de 1963 se anunció públicamente la enfermedad del papa: cáncer de estómago que, según su secretario Loris F. Capovilla, le fue diagnosticado en septiembre de 1962. El papa no quiso dejarse operar temiendo que el rumbo del Concilio se desviara de lo estipulado. Así, el mismo Papa estaba firmando su sentencia de muerte. Al fin, después de sufrir esa grave enfermedad, el papa Juan XXIII murió en Roma el 3 de junio de 1963.
Finalizó sus días sin ver concluida su obra mayor, a la que él mismo consideró "la puesta al día de la Iglesia".
Fue sucedido por Pablo VI, quien en 1965 iniciaría el proceso de beatificación del propio Juan XXIII después de la clausura del Concilio Vaticano II. Juan XXIII fue beatificado por Juan Pablo II el 3 de septiembre de 2000, junto con el papa Pío IX. Su fiesta litúrgica quedó fijada el 11 de octubre, día de la apertura del Concilio Vaticano II.
La Congregación para las Causas de los Santos del Vaticano aprobó los milagros para la canonización del beato Juan Pablo II y del beato Juan XXIII.13 Los dos pontífices serán canonizados en una misma celebración, el 27 de abril de 2014.