洪武八年（1375年）正月下旬，劉基感染了風寒，朱元璋知道了之後，派胡惟庸帶了御醫去探望。御醫開了藥方，他照單抓藥回來煎服用，覺得肚子裡好像有一些不平整的石塊擠壓在一起，讓他十分痛苦。
二月中，劉基抱病覲見朱元璋，婉轉的向他稟告胡惟庸帶著御醫來探病，以及服食御醫所開的藥之後更加不適的情形。朱元璋聽了之後，只是輕描淡寫的說了一些要他寬心養病的安慰話，這使劉基相當的心寒。三月下旬，已經無法自由活動的劉伯溫，由劉璉陪伴，在朱元璋的特遣人員的護送下，自京師動身返鄉。回家後，拒絕親人和鄉里為他找來的一切藥石，只是儘可能的維持正常的飲食。
幾天之後，劉基自知來日無多，找來兩個兒子交代後事。交代完後事時，又讓劉璉從書房拿來一本天文書，對他說：“我死後你要立刻將這本書呈給皇上，一點都不耽誤；從此以後不要讓我們劉家的子孫學習這門學問。”又對次子劉璟說：“為政的要領在寬柔與剛猛循環相濟。如今朝廷最必須做的，是在位者儘量修養道德，法律則應該儘量簡要。平日在位者若能以身做則，以道德感化群眾，效果一定比刑罰要好，影響也比較深遠，一旦部屬或百姓犯錯，也較能以仁厚的胸懷為對方設身處地的著想，所裁定的刑罰也必定能夠達到公平服人，和警惕人改過自新的目的；而法律若能儘量簡要，讓人民容易懂也容易遵守，便可以避免人民動輒得咎無所適從，又可以建立政府的公信力和仁德的優良形象，如此一來，上天便會更加佑我朝永命萬年。”又繼續說道：“本來我想寫一篇詳細的遺表，向皇上貢獻我最後的心意與所學，但胡惟庸還在，寫了也是枉然。不過，等胡惟庸敗了，皇上必定會想起我，會向你們詢問我臨終的遺言，那時你們再將我這番話向皇上密奏吧！”最後於農歷四月十六卒於故里，享年六十五歲。六月，葬於鄉中夏中之原。
明武宗正德八年(1513年)，朝廷贈他為太師，諡號文成。
明世宗嘉靖十年（1531年），劉基的同鄉、刑部郎中李瑜嚮明世宗朱厚熜上疏說：“（劉）基宜侑享高廟，封世爵如中山王（徐）達”，朝廷再度討論劉基的功績，並決議劉伯溫應該和徐達等開國功臣一樣，配享太廟。 [1] [3] 在這一年，劉基的九世孫處州衛指揮劉瑜襲封為伯爵。
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