Sau khi Nguyễn Kiều về nước, năm 1748, ông được cử đi làm Tham thị ở trấn Nghệ An. Đoàn Thị Điểm phải theo chồng. Trên đường đi, bà bị cảm nặng, dù đã chạy chữa nhưng không qua khỏi, cuối cùng mất ở Nghệ An, hưởng thọ 43 tuổi.
Thương cảm người bạn đời vắn số, Nguyễn Kiều đã viết bài văn tế hết lời ca tụng tài và đức hạnh của bà. Trong đó có câu “Đào chưa quả, đã vội khô/ Quế đang thơm mà đã rũ/ Rừng sâu, bể rộng. Nàng hỡi đi đâu? Ngọc nát, châu chìm, lòng tôi quặn nhớ”.
Ngày nay, nhiều tỉnh thành lấy tên bà đặt cho trường học, đường phố để tưởng nhớ.