En la tarde del 12 de abril de 1945, Roosevelt dijo: «Siento un terrible dolor en la parte trasera de la cabeza». Luego cayó hacia delante de su silla, inconsciente, y fue llevado a su dormitorio. Según el Dr. Howard Bruenn, el presidente fue diagnosticado de una hemorragia cerebral masiva, y falleció a las 15:35 horas ese mismo día, a las puertas del fin del conflicto, sin ver concluida la Segunda Guerra Mundial y sin lograr un acuerdo con Stalin.

La muerte le impidió completar su último mandato tras las elecciones de noviembre de 1944. Se trata del único presidente que rompió la tradición constitucional establecida por George Washington de no ejercer más de dos mandatos (o no reelegirse más de una vez), y que ha gobernado durante cuatro mandatos (1933-1945). El entonces vicepresidente Harry Truman fue quien lo sucedió en el cargo presidencial.

En 1947 el Congreso aprobó la Vigesimosegunda Enmienda que limita a dos, los mandatos del presidente.