In juli 2006 werd bij Pavarotti alvleesklierkanker geconstateerd. De tumor werd middels een operatie verwijderd, maar verdere optredens in dat jaar werden opgeschort ten behoeve van zijn herstel.
Tijdens de zomer van 2007 zou de zanger tijdens een vakantie in zijn villa aan de Adriatische kust ademhalingsproblemen hebben ontwikkeld. Sinds zijn operatie van 2006 onderging de tenor een vijftal chemotherapiekuren.
Omdat zijn toestand tegen het einde van de zomer verder verslechterde, werd hij begin augustus opnieuw in een ziekenhuis opgenomen waar hij op 25 augustus, na een reeks van onderzoeken, weer werd ontslagen. Vanaf dat moment werd hij thuis, in het Noord-Italiaanse Modena, door familie en vrienden verzorgd. Begin september werd bekend dat zijn toestand, die als zeer ernstig werd omschreven, nu zienderogen achteruit ging.
Ongeveer tezelfdertijd maakte de Italiaanse regering bekend dat aan Pavarotti als eerste een speciale, nieuwe onderscheiding was toegekend voor zijn ongeëvenaarde promotie van de Italiaanse cultuur. "Deze prijs vervult mij met vreugde en trots", zou daarop volgens het Italiaanse nieuwsagentschap Ansa Pavarotti's reactie zijn geweest.
Pavarotti zong voor het laatst in het openbaar toen hij op 10 februari 2006, tijdens de opening van de Olympische Winterspelen in het Italiaanse Turijn, zijn lievelings-Verdi-aria Nessun Dorma ten gehore bracht. Vanochtend overleed hij op 71-jarige leeftijd.
