Il 19 dicembre 1996 Marcello Mastroianni morì all'età di 72 anni: l'attore tre volte candidato all'Oscar si spense dopo una lunga malattia, la causa di morte fu un tumore al pancreas che non gli impedì di continuare a lavorare anche se, ormai sfinito a causa del suo male, era arrivato a recitare quasi sempre seduto.
Poco prima della morte Marcello realizzò, durante la lavorazione del suo ultimo film, Viaggio all'inizio del mondo di Manoel de Oliveira, una lunga auto-confessione che è considerata da molti il suo testamento spirituale. Il suo ultimo impegno professionale, invece, fu la commedia Le ultime lune nei teatri italiani.
A causa delle tre fleboclisi al giorno, come accennato in precedenza, Mastroianni recitava quasi sempre seduto e molte date previste non furono realizzate a causa dell'aggravarsi dello stato di salute. Dopo un malore fu l'attore stesso a chiedere di non andare avanti con la tournée e decise di tornare a Parigi.
Marcello Mastroianni morì pochi mesi dopo nel suo appartamento di Parigi, stroncato dalla malattia e assistito dalla figlia minore, Chiara; al suo capezzale non mancò neanche Catherine Deneuve, la madre di sua figlia, e fu proprio lei a tenergli la mano fino all'ultimo. Nonostante l'addio sia avvenuto nella capitale francese, le spoglie del leggendario attore riposano nel cimitero del Verano, a Roma.