Intanto, la sua salute cominciò a peggiorare: i frequenti attacchi cardiaci, a causa dei quali aveva sofferto anche durante la giovinezza, l'avevano ridotto in uno stato di prostrazione. Nel dicembre del 1915, ne ebbe uno fortissimo, che segnò l'inizio di un'agonia durata sette mesi prima che la morte sopraggiungesse il 16 luglio del 1916. Il suo comportamento nei confronti della malattia e della morte fu un insegnamento. Dal racconto della moglie, si evince che Il'ja rimase tranquillo tutto il tempo, aspettando la fine in modo sereno e probabilmente fece questo anche per non dare sofferenza alla stretta cerchia di amici e ad Ol'ga, che gli rimase accanto fino all'ultimo. Due giorni dopo, il 18 luglio, il suo corpo fu cremato, le ceneri messe in un'urna e poste nella biblioteca dell'Istituto Pasteur.