В начале 1881 года Пирогов обратил внимание на боль и раздражение на слизистой твердого неба, 24 мая 1881 года Н. В. Склифосовский установил наличие рака верхней челюсти. Умер Н. И. Пирогов в 20 ч 25 мин 23 ноября 1881 года. в с. Вишня, ныне часть Винницы.
Тело Пирогова было забальзамировано его лечащим врачом Д. И. Выводцевым с использованием новоразработанного им метода, и погребено в мавзолее в деревне Вишня под Винницей. В конце 1920-х годов в склепе побывали грабители, которые повредили крышку саркофага, выкрали шпагу Пирогова (подарок Франца Иосифа) и нательный крест. Во время Второй мировой войны, при отступлении советских войск, саркофаг с телом Пирогова был скрыт в земле, при этом повреждён, что привело к порче тела, впоследствии подвергнутого реставрации и повторному бальзамированию.
Официально гробница Пирогова именуется «церковь-некрополь», тело находится ниже уровня земли в крипте — цокольном этаже православного храма, в застекленном саркофаге, к которому возможен доступ желающих отдать дань уважения памяти великого ученого.