توفي الإمام مسلم بن الحجاج عشية يوم الأحد الخامس والعشرين من رجب سنة 261 هـ، الموافق 6 يوليو 875م، وعمره خمس وخمسون سنة، ودفن يوم الاثنين ومقبرته في رأس ميدان زياد بنصر أباد بظاهر نيسابور. ولم يعقب ذرية ذكورًا، وقد ذكر الحاكم أنه رأى من أعقابه من جهة البنات.
وذكروا في سبب وفاته سبب غريب، وهو أنه سئل عن حديث في مجلس بنيسابور، فقال بعدم علمه بهذا الحديث، وعندما رجع إلى بيته قام بالفحص عن ذلك الحديث، وحصل في الأثناء أن جاءه أحد ملازميه بإناء كبير من التمر، فلم يزل مسلم يبحث عن الحديث طوال ليلته ولكي يزيل النوم عن عينيه تناول من التمر المهداة إليه حتى طلع عليه الفجر، وما أن أتم أكل التمر كله حتى عثر على الحديث، ويبدو أن إكثاره من أكل التمر تلك الليلة سبب عنده مرضًا ما، فمات بعدها. قال الذهبي: