Заграничная поездка великого князя продолжалась, однако здоровье его стало резко ухудшаться. Появились мучительные боли в спине. Стали подозревать, что это – следствие его неудачного падения с лошади, когда он принимал участие в скачках на ипподроме в Царском селе. Согласно другим свидетельствам, причиной болезни был другой случай, когда великий князь, «пробуя силы с принцем Лихтенбергским», очень сильно ударился об угол мраморного стола. Врачи, тем не менее, решили, что это не более, чем острый приступ ревматизма и рекомендовали больному провести зиму в Ницце.

Однако целебный воздух приморской Ниццы не помог. Цесаревич уже не мог распрямиться, ходил, сгорбившись, с каждым днем слабея все больше и больше. Обеспокоенные родственники кинулись в Ниццу. 4 апреля к брату выехал Александр, а еще через несколько дней прибыл сам император с сыном Владимиром. К ним вскоре присоединились и невеста Дагмар с матерью. Все они оказались уже у постели умирающего. Александр и Дагмар не отходили от Николая, стараясь его утешить и развлечь.

Были сделаны отчаянные попытки спасти царевича. В Ниццу был вызван самый авторитетный врач того времени – Николай Пирогов. Он-то и поставил роковой диагноз – туберкулезное воспаление спинного мозга, чего тогда вылечить не могли. В ночь на 13 апреля 1865 года Николай умер…

Тютчев, который тогда тоже был в Ницце, написал:

Тело Николая перевезли в Россию и погребли в царской усыпальнице Петропавловского собора.