بعد وفاة المعتصم تم تشييعه في موكب رسمي مهيب ودفن بمدينة سامراء، في مكان يسمى قبة الخلفاء وهي حاضرة إلى يومنا هذا، ويقع هذا الضريح على نهر دجلة في سامراء التي تبعد حوالي 120 كيلومترا شمال بغداد.

ينقل الأعرجي عن جلال الدين السيوطي قوله إنه عندما احتضر المعتصم قال "ذهبت الحيلة فليس لي حيلة" وقال أيضا وهو في رمقه الأخير "اللهم إنك تعلم إني أخافك من قبلي ولا أخافك من قبلك، وأرجوك من قبلك ولا أرجوك من قبلي".

سنة 227 هجرية أصيب المعتصم بالعلة والمرض، بعد أن قام بعمل الحجامة، لكن بعض المصادر تقول إنه تعرض لعملية تسمم من قبل العناصر التركية، وتوفي الخميس ليلة 18 من ربيع الأول من تلك السنة، بحسب الأعرجي.

وذكر عن المؤرخ الصولي أن ملك الروم كتب للمعتصم كتابا يهدده فيه، فلما قرأ خليفة المسلمين قال للكاتب اكتب: بسم الله الرحمن الرحيم.. أما بعد، فقد قرأت كتابك وسمعت خطابك، والجواب ما ترى لا ما تسمع "وسيعلم الكفار لمن عقبى الدار".

كانت خلافته ثمانى سنين وثمانية أشهر وثمانية أيام، وهو ثامن الخلفاء من بنى العباس، وثامن أولاد هارون الرشيد، ومات عن ثمانية بنين وثماني بنات، وتولى الخلافة سنة ثمان عشرة ومئتين، وفتح ثمانية فتوح فكان يلقب ب"المثمن"، وكان معروفا بطيبة النفس، وكان من أعظم الخلفاء وأكثرهم هيبة.