当时，梁启超电邀了德国医生阿密思从重庆赶到泸州，为蔡锷治病。但是，不知怎么搞的，这位德国医生水平竟然不行，他错误的诊断与治疗，反而使病情加重，导致饮食都很难进了，梁启超真是好心办了坏事。后来，又经法国医生检视，认为蔡锷的喉病拖延的时间太长了，声带已经破了，他建议蔡锷最好马上去上海或日本，寻求专科治疗，也许还有转机。
但当时四川初定，形势还不乐观，蔡锷实在不好立即就走，担心走后局势生变。所以，他请医生尽力调治，在病情稍有好转后，蔡锷于29日带病进入成都，开始不分昼夜地处理各种军政事务。这样自然使稍有起色的病情又转入严重状态，待局势稍微稳定后，蔡锷到法国医院用X光作肺部透视，医生给出的建议是："病势甚重，宜速休养。"
当时蔡锷身躯瘦弱，经常出现头昏目眩，浑身乏力的状况，实在难以坚持正常的工作。后经成都医院再次检查，发现其喉部带有结核杆菌。在朋友和将士们的再三劝说下，蔡锷被迫辞去四川的军政职务，并推荐罗佩金、戴戡替代他，北京政府也批准给其两个月的治病假期。随后蔡锷离开成都，前往上海。他途经泸州时，还专门在朱德的家里休息了几天，然后才搭着船顺流东下，告别了曾经战斗半年多的四川。
蔡锷离开四川时，想到饱受战火蹂躏的四川人民的困苦生活，他仅仅携带了3000元的旅费，至于后续的医药费他打算在路上想办法筹措。临行时，蔡锷情不自禁地写下了感人肺腑，盛传一时的《告别蜀中父老文》，与川民依依惜别。
外出求医
在去上海的路上，蔡锷对自己的病还是抱有一定信心的， 期间在贵州接受了中医针灸治疗。到达上海后，蔡锷实际已经病入膏肓，梁启超亲自介绍进入宝隆医院做进一步检查，结果还是确诊为喉结核病。当时上海的医疗条件还无法一直这种疾病，所以他们建议蔡锷到日本寻求更好的治疗，蔡锷经过权衡，觉得东渡日本治疗也许更好一些。随后，他决定由代理副官长李华英、秘书唐瓛、随行医生李丕章及潘夫人陪同，前往日本。途中，他还带病为梁启超的《盾鼻集》作了序和跋，可见师生感情之深。
当时的船在海上行驶的很慢，9月13日蔡锷抵达日本东京，很快就进入福冈大学医院进行治疗。起初的医治已见疗效，稍见好转。可就在10月31日，传来了革命家黄兴不幸在上海病逝的消息。蔡锷得知后，犹如晴天霹雳，悲痛至极。当即函托张嘉森代之往祭，并含泪作《哭黄克强》挽联一副，内有 "曾送我海上，忽哭君天涯，惊起挥泪，难为卧病九州人"的句子，以寄托沉痛悲悼之情。
蔡锷与黄兴，同为湖南人，二人之间有着极其深厚的革命情谊。早年间曾共同留学日本，为维护中华民族的独立，共同奔走。当蔡锷在四川病重时，黄非多次发电催促蔡锷早点出来求医，蔡锷从上海奔赴日本时，黄兴不顾病重亲自前往码头送别。可见两人关系确实密切。因此，黄兴病逝，对蔡锷的精神打击是比较大的，这也使他的病情迅速恶化，"下痢更甚，精神益衰"。
溘然长逝
11月7日，蔡锷在护理人员的搀扶下，勉力打起精神，伏在窗口观看日本的空军演习，联想到中国军备的落后程度，蔡锷颇有感触。不料当天傍晚，蔡锷病状急剧恶化，勉强坚持到次日凌晨4时，便溘然长逝。在弥留之际，蔡锷向身边人留下了致国人遗电的内容，其中基本都是"协力一心""道德爱国""公允""薄葬"等语，表现了"鞠躬尽瘁，死而后已"的高尚情操，在生命的最后一刻放出灿烂的光芒。
各方吊唁
蔡锷逝世的消息传到北京及全国后，举国上下，同声哀悼。11月9日，正在开会的众议院惊悉噩耗，决定休会一天，并致电东京吊唁，还决定于开追悼会之日下半旗致哀。10日，黎元洪令驻日公使章宗祥派员妥为照料后事，拨付银元2万元用于治丧抚恤。28日，又下令追赠蔡锷为上将。10日至13日，梁启超、谭延闽等先后发电，请予以国葬，并建议在京师及立功省份建立专祠，择地竖立铜像。国会研究后一致议决，同意为蔡锷举行国葬，并决定将12月25日确定为护国军起义纪念日。
12月1日，由"黄蔡二公追悼大会筹备事务所"发起，在中央公园举行了隆重的追悼大会。中央及地方军政要员，各界知名人士，纷纷前来致祭。孙中山的挽联是"平生慷慨班都护，万里间关马伏波"，给蔡锷以极高的评价。助蔡脱险出京，情同伉俪的侠妓小凤仙，伏在灵前失声恸哭，并作诗怀念平生之知己："不幸周郎竟短命，早知李靖是英雄。"可谓感天地而泣鬼神。
各种祭文，来自南北各方，不可胜数，其中以梁启超的祭文感人最深。他以深沉而富有感情的笔触，对于他们之间的师生情谊以及蔡锷戎马一生的非凡经历、维护共和推翻帝制的不朽功勋，作了高度的概括。祭文最后说：(君)乙已广西不死，辛亥云南不死，去冬护国寺街不死，今春青龙嘴不死，在君固常视一命为有生之余。今为国一大事而死，死固当其职。"
12月2日，蔡锷灵柩由海容舰护送回国。5日，灵柩到达上海，黎元洪特派淞沪护军使杨善德前往致祭。14日，上海举行蔡锷追悼会，梁启超致演说词，号召大家学习蔡锷"心地好""谨守自己责任""作事谨慎"等美德。
入土为安
12月23日，内务部致函孙中山等，征询葬地意见。后经有关各方研究并征得家属同意，决定安葬在其家乡湖南。1917年1月2日，灵柩在兵舰护送下，由利川轮运载，安抵长沙。4月12日，这位中国近代史上杰出的政治家、军事家，以国葬仪式被安葬在湖南湘江岸边风景秀丽的长沙岳麓山万寿寺的后山，供后人凭吊。蔡锷由此也成为了民国历史上，"国葬第一人"。
