അവസാനവർഷങ്ങളിൽ വില്യം ജെയിംസിനെ ഹൃദ്രോഗം അലട്ടി. അന്തിമരചനയുടെ പണിപ്പുരയിലായിരിക്കെ, 1909-ൽ അതു വഷളായി. 1909-10-ലെ വസന്തകാലത്ത് അദ്ദേഹം ചികിത്സയ്ക്കായി യൂറോപ്പിലേയ്ക്കു കപ്പൽ കയറിയെങ്കിലും ചികിത്സ ഫലിക്കാതിരുന്നതിനെ തുടർന്ന് ആഗസ്ത് 18-ന് അമേരിക്കയിൽ മടങ്ങിയെത്തി. ആഗസ്ത് 26-ന് അദ്ദേഹം ന്യൂ ഹാമ്പ്ഷയർ സംസ്ഥാനത്തെ സ്വവസതിയിൽ ഹൃദയസ്തംഭനം വന്നു മരിച്ചു. മാസ്സച്യൂസെറ്റ്സ് സംസ്ഥാനത്തെ കേംബ്രിഡ്ജിലുള്ള ശ്മശാനത്തിലെ കുടുംബമൂലയിൽ അദ്ദേഹത്തെ സംസ്കരിച്ചു. മരണശേഷം അദ്ദേഹത്തിന്റെ മേശമേൽ നിന്നു ലഭിച്ച കടലാസു തുണ്ടിൽ എഴുതിയിരുന്ന വിടവാങ്ങൽ സന്ദേശം ഈവിധമായിരുന്നു:-

ആവേഗങ്ങളുടെ സിദ്ധാന്തം
മരണം
സ്വതന്ത്രേച്ഛ
വിജ്ഞാനശാസ്ത്രം