En février 1764, la marquise tomba malade. On murmura qu’elle était atteinte de fièvre putride. En fait, elle avait contracté une pneumonie lors d’un séjour à Choisy. Le 29, elle s’écroula dans le salon de Compagnie puis rejoignit péniblement sa chambre aidée par un valet. Après ce qui semblait être sa fin immédiate, elle se rétablit et revint à Versailles. Mais le 7 avril, elle rechuta. Elle n’arrivait presque plus à respirer. Le 14, elle fit ses adieux à Louis XV qui ne put la sauver malgré les soins qu’il lui faisait donner. Son état empira et elle cessa de s’intéresser à la politique pour s’occuper de son âme.
Elle qui avait toujours montré un profond athéisme, était soudainement prise d’angoisse. Elle appela le confesseur du roi à qui elle avait beaucoup à dire…
Le prêtre écouta sans broncher tous les secrets d’une vie que le peuple devait résumer quelques jours plus tard sur cette épitaphe :
Ci-gît qui fut vingt ans pucelle
Sept ans catin et huit ans maquerelle.
Il lui donna l’extrême-onction. Comme il allait se retirer, elle lui aurait dit en souriant : « Un moment, monsieur le curé, nous nous en irons ensemble ». Elle expira à 19 heures.
Ainsi eut-elle le « privilège » de mourir à Versailles où seuls les membres de la famille royale étaient autorisés à le faire. Mais le soir même du décès, le protocole ayant repris ses fonctions, sa dépouille fut emmenée en civière jusqu’à l’Hermitage, un hôtel aux Réservoirs à Versailles.
Louis XV, contrairement à ce qui est souvent dit, éprouva un vif chagrin à cette disparition. Deux jours plus tard, Messire Jean-François Allart, curé de Notre-Dame de Versailles, où eurent lieu les funérailles, signait l’acte de décès et d’inhumation : « L’an mil sept cent soixante-quatre, le dix-sept avril, très haute et très puissante dame Madame Jeanne Antoinette de Poisson, duchesse marquise de Pompadour et de Ménar, dame de St-Ouen près Paris et autres lieux, l’une des dames du palais de la Reine, décédée avant hier, âgée de quarante trois ans, a été transportée par nous soussigné curé, aux Capucines de Paris, lieu de sa sépulture, en présence de Pierre Benoist prêtre et de Sébastien Lefevre qui ont signé ».
Et ce fut « par un temps d’ouragan épouvantable » que la Pompadour fut inhumée près de la sépulture de sa fille Alexandrine-Jeanne, morte à neuf ans le 15 juin 1754, qui l'y attendait depuis dix ans .
En prévision de son repos éternel, la Pompadour avait acheté l’ex-cave sépulcrale de la famille de La Trémoille ce qui fit dire aimablement à la princesse de Talmont que « les gros os des La Trémoille devaient être bien étonnés de sentir près d’eux les arêtes de Poisson »…
Ce caveau se situait au niveau de l’actuel n°3 de la rue de la Paix non loin de celui de Louvois.
Bien que le fait ne soit pas mentionné, on peut penser que les restes de Mme de Pompadour et de sa fille furent transportés aux Catacombes comme le furent ceux découverts dans les cercueils au fur et à mesure des travaux de voirie de la rue de la Paix.