精力的に活動を続けていた池内さんに病魔が忍び寄ったのは2010年のことでした。同年4月に体調不良を訴えて都内の病院に検査入院し、肺腺がんと診断されます。一時は治療を受けながら復帰を目指し、秋に控えていた舞台公演への意欲を見せていましたが、容態が急変。
2010年9月26日、虎の門病院にて76歳で息を引き取りました。直接の死因は肺腺がんでした。亡くなる直前まで病気の事実を公にせず、凛とした姿のまま逝去された報せは、芸能界のみならず全国のファンに深い悲しみをもたらしました。「生涯一女優」として観客に弱みを見せない、池内淳子さんの美学が貫かれた最期でした。
