25 сентября приступы усилились. Стоны князя весь день надрывали сердце его приближенным. Попов с горечью сообщал Екатерине, что светлейший, «как только боли унимались, начинал говорить о безнадежности своей жизни и со всеми прощался, не веря никаким нашим вопреки сего уверениям». Князя посетили архиепископ Амвросий и грузинский митрополит Иона «и слезно умоляли беречь себя, принимать лекарства и воздерживаться от вредной пищи. «Едва ли я выздоровею, — отвечал на это Князь, — сколько уже время-ни, а облегчения нет как нет. Но да будет воля Божия! [...] Ты, духовник мой, — продолжал он, обращаясь к Амвросию, — и ведаешь, что я никому не желал зла».

Ничто не радовало его так, как письма и знаки внимания Екатерины. «При напоминании вашего императорского величества имя-ни всегда льются обильныя слезы из глаз его», — сообщал Попов 27 сентября. У него хватило сил только на одну строчку: «Матушка родная, жить мне больше тяжело, что тебя не вижу».

30 сентября ему исполнилось 52 года. Все пытались его утешить, но каждый раз, вспоминая про Екатерину, он «горько плакал» — о том, что больше ее не увидит. В тот же день Екатерина, прочтя очередной отчет Попова, отвечала: «Всекрайне меня беспокоит твоя болезнь». Она умоляла его принимать лекарства — «да, приняв, прошу уже и беречь себя от пищи и питья, лекарству противных». Она отвечала на донесение Попова десятидневной давности, но на следующее утро, когда письмо полетело из Петербурга на юг, Потемкин проснулся с тяжелой одышкой, — вероятно, началось воспаление легких. Возобновились жар и обмороки, 2 октября он немного пришел в себя, но от хины категорически отказался. А затем вдруг потребовал, чтобы закладывали карету: он хотел еще раз увидеть степи и почувствовать ветер с Черного моря. «Теперь желает его светлость, чтоб везли его отсюда в здоровейшее место; но я не знаю, как тронуться ему отсюда, когда все силы его изнурены до крайности».

Пока адъютанты и доктора решали, что делать, светлейший написал свое последнее собственноручное письмо государыне:

После этого он перестал узнавать окружающих, а затем впал в обморок, перешедший в кому. В течение девяти часов врачи не находили пульса.

В Петербурге Екатерина читала его письма от 25 и 27 сентября — «Не могу я сам писать...» — и пыталась убедить себя, что еще есть надежда: «Вижу, что последние три строки твои немного получе написаны. И доктора твои уверяют, что тебе полутче». Она снова пишет Браницкой, прося не оставлять больного.

3 октября к полудню Потемкин повторил свое требование уехать из Ясс. Выезд назначили на следующее утро. Проведя бессонную ночь, он поминутно спрашивал: «Который час? и все ли готово?» Рано утром, несмотря на сильный туман, он объявил, что пора отправляться. Его положили в кресло и перенесли в большую шестиместную карету. Он продиктовал секретарю последнее письмо Екатерине и приписал внизу: «Одно спасение уехать». На подпись уже не хватило сил.

В 8 часов утра поезд из нескольких карет тронулся в путь.

На следующий день тело светлейшего привезли обратно в Яссы для вскрытия и бальзамирования. Вскрытие производилось в его апартаментах во дворце господаря Григория Гики. Органы брюшной полости оказались чрезмерно «влажны», печень увеличена; врачи констатировали разлитие желчи.