段、梁走后，孙中山要汪精卫回谢。时段祺瑞则强人所难，定请孙中山参加善后会议。元月2日，孙中山召见汪精卫、黄昌谷，面谕速办二事：一、成立北京政治会议；二、创办北京《民国日报》。是日，外国医师6、7名为孙中山诊治，均断为肝病，但究为何种肝病，难下定论。翌日，协和医科大学医师3人和狄博尔、克礼二医师并俄国医师协助会诊，1月4日确为肝痈伤。元月5日，协和医院医师4人、美医师3人，共推克礼为会诊主任。欲动手术，众以为难，遂改药针治疗。
时段祺瑞再请孙中山参加善后会议，孙中山不惜委屈求全，于17日在病榻上口授电报，云其同意召开善后会议，但必须加入人民团体，以有益于国政。电文完全为民主政治、为人民、为国家而陈词披肝，义正词严，并在会议名义、程序上，对段让步，缕分条剖，谆谆以告，诚心期望人民参与议决大政方针，摆脱军阀政客的垄断，永远清除内乱，建立民主共和国。
然段祺瑞、张作霖无动于衷，仍一意孤行。
孙中山到京后，虽于病中，各方前来访谒的人仍很多，迫不得已，派汪精卫、邵元冲、丁惟汾、于右任等分别接待。然孙之病，非但不见好转，反而日甚一日。时众人拟送孙中山入俄国医院就医，但孙中山认为俄医院在东交民巷租界内，不愿前往。后病势日渐沉重，乃入协和医院，又请中医施今墨诊治，均告无效。又过半个月，27日于协和医院，施行手术，手术时鲍罗廷、孙科、孔祥熙、宋子文在场。开刀后发现肝脏满布白点，定为肝癌，为不治之症，医生以镭锭治疗，也仅能减少痛苦。张静江等建议服中药。为服药方便，1月28日，又将孙中山移往铁狮子胡同行辕。李烈钧、孙科奉孙中山之命南下指挥北伐军事宜，刚抵上海，汪精卫即用电话告知，云孙中山开刀后发现病势极其危险，要他们速回，李、孙急乘车连夜返京。
29日，段祺瑞不顾大病之孙中山，对孙中山之恳切建议，毫不让步。
1月30日，中国国民党遵照孙中山指示，决定不参加善后会议。
31日，段祺瑞到协和医院探望孙中山。次日，“善后会议”开幕。2月2日，中国国民党执行委员会发布了“不参加善后会议”宣言，并说明原因。
2月17日，协和医院代理院长刘瑞恒，以英文函告孔祥熙，云孙中山之病，已无法医好。
2月24下午，孙中山病势转危，至此，宋子文等征得宋庆龄之同意，由宋子文、孙科、汪精卫、孔祥熙四人持由汪精卫草拟之遗嘱入室。孙中山见状，遂问：“诸同志为何？”言毕闭上眼睛，稍停复睁眼道：“汝等前来，将有何言，不妨直说。”
四人犹豫不敢言，汪则近榻委婉而言道：“惟思趁先生精神较佳时，留下些许教诲，即10年、20年后，仍可受用。”
孙中山听罢，良久，方张目郑重而言道：“我何言哉，我病如痊愈，则所言甚多。即使不幸而死，由汝等任意去做，复言何哉！”
四人复请道：“吾等愿听先生之吩咐。”·
孙中山不语。四人向他说国民党正遭遇一个变局，如果党的领袖没一个指导方针，大家很难有所抉择。孙中山听罢默然良久道：“吾欲说之言甚多，本党周围都是敌人。吾死之后，这些敌人不会放过你们的，他们或许使用其他方法使你们软化，前途确很危险。吾不言亦好，因为如此你们较容易应付未来的环境。”
汪精卫贴近孙中山病榻前道：“吾等随先生奋斗数十年，从不畏惧危险，也从不让敌人软化。凡是革命同志都能遵从先生的教训，不会逃避危险和死亡，先生教导吾等这许多年，定能信任吾等。”
孙中山闭目颔首，听罢道：“吾著书甚多矣，尔等可好好念一念。”
汪精卫点头道：“诚然，先生著有建国大纲、建国方略、三民主义及第一次全国代表大会宣言，诸同志皆当竭诚奉行，犹望先生为总括言之。”
孙中山复振目道：“汝等欲我云何？”
汪精卫道：“吾等今已预备一稿，读与先生一一清听，先生如真赞成，即请签字，当作先生之言；如不赞成，亦请另赐数语，吾可代为笔记。”
孙中山点首。汪即取出拟稿，低声慢读全文，孙中山听罢，点首曰：“吾甚赞同。”
宋子文急赶忙上前曰：“先生对于党务已有训诲，家属则如何？亦可数语为法否？”
孙中山点头，汪又取出一稿，念与孙中山听。孙中山听罢亦点首赞同，汪拟即取墨签字，孙中山闻听宋庆龄哭声甚哀，乃告汪道：“汝暂时收存，今不须签字，俟数日后再酌，吾总还有数日之生命。”
3月11日晨，孙中山病势逐渐危殆，何香凝谓汪精卫道：“此时不可不请先生签字矣。”
众人皆赞同，但仍踌躇不敢进。时至正午，孙中山忽然张目遍视床前家属及各同志，召之近前，吃力道：“吾将与尔等分别了，拿那两张字来呀，今日到了签名的时候了。”
汪赶紧将二稿和墨水呈上，孙中山遂签了字。时英文秘书陈友仁提出一英文稿，乃为致苏俄遗书，系鲍罗廷与陈草拟，由宋子文再念一遍，孙中山听过后，亦签了字。但此遗嘱成了有争议之件，国民党有些人以其提出匆促为由，未将其列入遗嘱之中。
中山先生遗嘱其一为：
“余致力于国民革命，凡四十年，其目的在求中国之自由平等。积四十年之经验，深知欲达此目的，必须唤起民众，及联合世界上以平等待我之民族，共同奋斗。现在革命尚未成功，凡我同志，务须依照余著建国方略、建国大纲、三民主义及第一次全国代表大会宣言，继续努力，以求贯彻。最近主张召开国民会议及废除不平等条约，尤须于最短期间，促其实现，是所至嘱。中华民国十四年二月二十四日，孙文。三月十一日补签。”
其二为：
“余因尽瘁国事，不治家产，其所遗之书籍、衣物、住宅等，一切均付吾妻宋庆龄，以为纪念。余之儿女，己长成能自立，望各自爱，以继余志。此嘱。中华民国十四年二月二十四日。孙文，三月十一日补签。”
其三为长篇英文稿遗嘱，原件存莫斯科，译文载当时出版的《向导》第108期，因文较长不赘录。
孙中山签罢名后，复告汪精卫等：“余此次北来，意在促成召开国民会议，解决国是，以期能达到三民主义、五权宪法的目的，虽死九泉也可以瞑目了。”言罢泪下如雨。孙中山得病后，自己言死，还是第一次。
12日8时，克礼医生临床诊视。8时35分，为孙中山进麦秕汤少许，已不能受。9时10分，段祺瑞派许世英前来探视。许至孙中山床前，见他双目向上直视，瞳孔已散，一代伟人仍睁双目不闭，宋庆龄频以手拭，孙中山双目始闭。
9时30分，永远活在人们心中的一代伟人孙中山溘然长逝！
可叹：出师未捷身先死，常使英雄泪满襟。
4月2日，孙中山灵柩移奉西山碧云寺。上午8时许，陆海军护灵队，警察保安队，先后按次序排列，各学校各团体均至预定点集结，执政代表黄开文等及各部院次长等均于9时到齐。9时35分，执政府代表及各阁员在灵堂行三鞠躬礼。各界代表亦先后行礼，家属行礼。11时起灵。四乌骓高架灵柩，状至黝黑舆顶及边络以青球，摇摇欲行。灵柩途经西长安街，西单牌楼、西四牌楼、出西直门，赴西山本道。沿途各街巷口及各户楼上均立有男女民众脱帽肃立恭送，可谓万人空巷。下午4时25分钟，遗榇到碧云寺郊外。5时30分举行公祭，后奉安于石龛之内。孙中山于1912年民国元年北上见袁世凯时，曾游碧云寺，见石塔顶侧有曲松压于石下，深悯其状，遂奋然以手去石，扶至此松，孙中山灵榇至此时，此松已蔚然壮茂，以为孙中山护灵。
孙中山之丧，海内外挽联甚多。特于此抄录几幅：
国运正辶屯辶禀，方期外抗强权，仗会威灵兴大夏；老成忽凋谢，何日内除国贼，薄海同悲导师。
英雄作事无他，只坚忍一心，能全世界能全我；自古成功有几？正疮痍满目，半哭苍生半哭公。
才渝汤武，功盖桓文，万里震威名，天授如期，前无古人，后无来者。授出秉节钺，入赞戎机，廿年共患难，山颓安仰，上为国恸，下为私哀。
众联之中，以李大钊和陈炯明之联最为嘱目。李大钊联云：
广东是现代思潮汇注之区，自明季迄于今兹，汉种孑遗，外邦通市，乃至太平崛起，类皆孕育萌兴于斯乡；先生挺生其间，砥柱于革命中流，启后承先，涤新淘旧，扬民族大义，决将再造乾坤；四十余年，殚心瘁力，誓以青天白日，满地红旗，唤起自由独立之精神，要为人间留正气；
中华为世界列强竞争所在，由秦西以至日本，政治掠取，经济侵凌，甚至共管阴谋，争思奴隶牛马尔家国；吾党适于此会，丧失我建国山斗，云凄海咽，地黯天愁，问继起何人，毅然重整旗鼓；亿兆民众，惟工与农，须本三民五权，群策群力，遵依牺牲奋斗诸遗训，成厥大业慰英灵。
陈炯明在孙中山病逝前已痛悔反叛孙中山，曾请吴稚晖代作悔过书，未及送达，孙去世，陈送挽联云：
惟英雄能活人杀人，功首罪魁，留得青史在；与故交曾一战再战，公情私情，全凭赤心知。
冯玉祥主张在中央公园为中山先生铸铜像，俾供中外瞻仰，以追崇中山先生丰功伟绩，垂示后世，然段执政府不允。段与孙中山处处为敌，到后来北伐军攻克北京，蒋介石下令通缉段，亦报此仇。到了1928年，中央公园改为中山公园，专为纪念孙中山。
