章武三年公元二二三年，春季正月，黄忠自从护驾驻守白帝城以后，由于忧国恨敌，感政伤时，染病不起。这时，汉帝刘备因为关羽身亡，汉室残破，中兴大业功败垂成，心情在双重失败的打击下特别沉痛，小疾引发大病，情势日渐严重，勉强处理日常军政大事。
二月，丞相诸葛亮抵达永安，看望刘备。
三月，黄忠听说汉帝刘备病情严重，医药不见效果，心情更加沉重，他强支病体骑马赶到永安宫看望主公，向他表达臣下的心意。刘备开始安排后事，命令丞相诸葛亮辅佐太子刘禅，以尚书令李严为诸葛亮的副手，刘备对诸葛亮说：“你的才能胜过曹丕十倍，一定能够安定国家完成大业，如果刘禅还值得辅佐，就辅佐他，如果他没有才德，你可以取代他。”诸葛亮留着眼泪说：“臣下怎敢不竭尽全力辅佐太子，忠贞不移地报国效命，至死不渝。”刘备又给太子下诏令：人活到五十而死不算是夭折，我已经活了六十多了，还有什么遗憾呢？只是牵挂你们兄弟，要奋力，再奋力呀，不要因为坏事很小就去做，也不要因为好事很小而不去做，只有贤明与德行才能令别人佩服。你父亲我德行浅薄，不值得你们效法，你与丞相一同处理政务，应像对待父亲一样对待他。
黄忠亲眼看到刘备病情危急，他的心情更加忧虑，回到白帝城以后，病情日益严重。诸葛亮来看望黄忠，黄忠说：“在下辜负了皇上的期望，东征大军中了东吴的鬼计，没有成功，真是令人悲愤。当年西攻巴蜀，击败张任、冷苞、刘璝；北取汉中大败张郃、徐晃、击斩夏侯渊，成绩何等辉煌！而这次东征没有取得战果，回想起来，实在令人悲痛。”诸葛亮感叹地说：“法孝直如果在世，就能说服主上，使他不东向出师，即使东向出师，也一定不会这样失败啊！”
李严也来看望黄忠，他握着黄忠的手，脸上充满忧伤，不禁潸然泪下。黄忠说：“你的仕途还很长远，要保护好太子，跟随丞相北伐曹魏，统一全国，光复南阳，到了成功那一天，请你到我墓前告慰一声，让黄某也能分享成功的喜悦，从而含笑九泉。”
刘备听说黄忠病危旦夕，强支病体，御驾亲来观看，他说：“前封四位上将，现在只剩下黄汉升一个将军了，只可惜你的病情这样严重，朕心情更加悲伤啊。”黄忠慨然说道：“黄忠夲是一员武将，幸而遇见陛下，给予重任，随从克定巴蜀，立功汉室。臣年近六旬，寿限已经很高了，唯有一点遗憾，就是不能看到汉室中兴那一天了。望陛下善保龙体，统领千军万马，一统中原，兴复汉室。”
当夜，黄忠病逝于白帝城军营之中。后人有诗叹曰：
汉将有黄忠，收川立大功。重披金锁甲，双挽铁雕弓。胆气惊河北，威名镇蜀中，临亡念汉室，犹自显英雄。
刘备在永安宫，听到黄忠因病去世，心中哀伤不已，敕具棺椁，将他葬于成都。