Вечером того же дня Бехтерев с женой был на спектакле «Лебединое озеро» в Большом театре, а в ночь на 24 декабря у него появились боли в животе. Утром он был осмотрен профессором Бурминым, который диагностировал у него желудочно-кишечное заболевание и сделал соответствующие назначения. Около Бехтерева весь этот день находилась его жена, она же и выполняла данные Бурминым рекомендации. В течение дня Бехтерев стал чувствовать себя как будто получше, но к семи часам вечера у него появились тревожные признаки ослабления сердечной деятельности. В созванном консилиуме участвовали профессора Бурмин и Шервинский и доктор Константиновский. Проведенные ими лечебные мероприятия желаемого эффекта не дали. Нарастали признаки общей интоксикации, нарушения работы сердца, после десяти часов вечера дыхание стало прерывистым, нарушилось сознание. Несмотря на все принятые меры, и в том числе применение искусственного дыхания, состояние больного прогрессивно ухудшалось, и в 23 часа 45 минут Бехтерев скончался.
В воскресное утро 25 декабря в квартире Благоволина собралось совещание во главе с наркомом здравоохранения Семашко. В нем участвовали видные представители советской медицины. В тот же день с лица покойного известным скульптором Шадром была снята гипсовая маска. У гроба Бехтерева постоянно несли почетный караул представители студенчества, врачи, преподаватели, профессора.
26 декабря на квартире Благоволина состоялась гражданская панихида, в которой принимали участие родные, близкие, сотрудники, ученики ученого. Первым выступил нарком Семашко. «Мы провожаем в могилу, — сказал он, — виднейшего деятеля науки, научные заслуги которого известны далеко за пределами нашей страны. Эти заслуги неизмеримы. Еще в давние времена, когда область нервной деятельности была загадочной и темной, академик Бехтерев открыл своим ученым ключом дверь в эту темную область, пролив на нее яркие лучи научного света. Уже тогда Бехтерев заложил основы рефлексологии, то есть учения, которое наиболее близко к материализму и потому является единственно научным пониманием душевной жизни».
27 декабря в начале второго часа дня гроб с телом Бехтерева был вынесен из квартиры Благоволина и водружен на катафалк. Траурный кортеж направился на Моховую к 1-му Московскому университету. Двор университета был переполнен студентами, преподавателями, представителями общественных организаций. Гроб на руках перенесли в круглый актовый зал, где состоялась еще одна гражданская панихида с участием представителей широкой общественности, на которой с речью выступил Председатель ЦИК СССР М.Калинин. «Наука, — говорил он в своей речи, — неотделима от социализма. У нас есть огромные силы, которые, к сожалению, до сих пор этого не осознали. Покойный же тов. Бехтерев усвоил это в самом начале Октябрьской революции. Однако год за годом наука делает медленную передвижку в умах и других ученых, заставляя их осознать, что наука и социализм — одно и то же. Я имел частое общение с покойным и вынес убеждение, что он принадлежал к тем лицам, которые укрепляли мост, соединяющий науку со строительством социализма. Академик В. М. Бехтерев много помог сближению труда и науки и этим самым укреплению рабоче-крестьянского строя».
В тот же день тело Бехтерева предали кремации в недавно отстроенном крематории при Донском монастыре. Вечером урну с прахом ученого, заключенную в обитый черно-красным шелком небольшой дубовый ящик, доставили на Октябрьский (ныне Ленинградский) вокзал. Проводить останки Бехтерева в Ленинград собрались тысячи москвичей. Траурный поезд отправился поздно вечером.