1970年起，彭德怀经常便血，大便次数增多，他没有当回事，抗战时在敌后就有过。以后又便秘，以为是痔疮。1972年，彭德怀的病情明显恶化，每天便血四五次，总觉得肚子不舒服，连发怒的力气也没有了。1973年4月10日下午，便血近1，000毫升，联系几所医院，都没住进去。4月17日，彭德怀被紧急送进301医院，内外科会诊发现是直肠癌，已经是中晚期了。
1974年元旦，彭德怀说这是最后一年了。此时他已经半身瘫痪，生活不能自理，专案组这才允许亲属探视。彭德怀说我瘫了，可我的案子还没有搞清楚呀！我死后，把我的骨灰送回老家，埋在地下，上面种上果树，骨灰可作肥料。
1974年9月，彭德怀病危，左侧肢体瘫痪，右下肢浮肿，小便失禁，舌头发硬，说话不清。他最后对专案组说，我一生犯有很多错误，但我不搞阴谋诡计，在这一点上我是清白的。已经审查我八年了，现在还没有结论。11月29日14时50分，深度昏迷两个多月的彭德怀突然脸露红晕，随之口鼻出血，呼吸停止，心脏停止跳动，这时身边没有一个亲人。专案组给中央的报告是：受审人员彭德怀因患直肠癌，经治疗无效病死。彭德怀批注过的62本书也一起被火化。申请火化表上写着王奎，住址301，与死亡人是父女关系。骨灰盒是用没上油漆的粗木板做的，存放在成都市东郊火葬场，代号273。上面贴一张纸条：王川，男，32岁。
周恩来指示，要精心保管彭德怀的骨灰盒，不准换盒，以备查找。1978年12月22日，彭德怀的骨灰被专机接到北京。到首都机场上空时已经是万家灯火，根据中央军委办公厅的指示，载有彭德怀骨灰的专机在北京上空绕飞一周。
1978年12月，在党的十一届三中全会上，根据陈云的意见，审查和纠正了对彭德怀所作的错误结论。12月24日，中共中央在人民大会堂为彭德怀举行了隆重的追悼大会。彭德怀的遗像下是他的骨灰盒，上面覆盖着中国共产党党旗。邓小平代表党中央致悼词，称彭德怀是我们党的优秀党员，老一辈无产阶级革命家，这个全面、公正的评价，为彭德怀恢复了名誉。
