В конце 1929 года власти решили выслать святителя в Казахстан на вечное поселение. Владыку повезли этапным порядком – от одной пересылочной тюрьмы до другой. По дороге его обокрали и в Петербург ею привезли в праздник Введения во храм Пресвятой Богородицы уже больным.
Шестою декабря Владыку перевели из тюрьмы в больницу им. Гааза. С высокой температурой он шел по городу, теряя последние силы. У него обнаружили сыпной тиф.
Митрополит Серафим (Чичагов) пытался ему помочь, но это было уже невозможно. Владыка Иларион был без сознания. Незадолго до кончины ему стало легче. Из больницы он писал родственникам: "Я тяжело болен сыпным тифом..., в субботу, 15 декабря, решается моя участь (кризис болезни), вряд ли перенесу."
Когда ему в больнице заявили, что его надо обрить. Владыка сказал: "Делайте со мной теперь, что хотите".
15 (28) декабри 1929 года последовало блаженное преставление Владыки ко Господу.
По сведениям дочери последнею протодьякона Воскресенского Новодевичьего монастыря М. Ф. Анфимовой, перед смертью его напутствовал и причастил Святых Христовых Тайн келейник митрополита Серафима (Чичагова) иеромонах Никандр. Перед смертью к Владыке подошел врач и поспешил заверить, что кризис миновал, на что Владыка ответил: "Как хорошо, теперь мы далеки от ..." Эти слова были его последние слова, слова праведника, ждущего о радостной встречи с Богом.
Митрополит Серафим попросил для погребения тело почившего архипастыря. Ночью грубо сколоченный гроб выдали родственникам. Святителя было невозможно узнать. В гробу лежал изможденный старец с обритой головой... Священномученнку было 43 года.
Митрополит Серафим принес свое белое облачение, белую митру. По облачении тело Владыки положили в другой, лучший гроб.
Власти поставили условие, чтобы не было никакой торжественности отпевания и никаких надгробных речей. Отпевание было в Воскресенском соборе Новодевичьего монастыря. Митрополит Серафим (Чичагов), архиепископ Алексий (Симанский), епископ Амвросии (Либин) и епископ Сергий (Зенкевич) молились в алтаре, а само отпевание совершал епископ Николай (Ярушевич). (По сведениям о. М. Польского, отпевание совершал сам Митрополии Серафим). Надгробные речи были запрещены, но Владыка Николай прочитал заповеди блаженства так, что все присутствовавшие рыдали.
Каждая из этих заповедей была исполнена Святителем, о чем свидетельствует все его житие. И вот,. исполнив все назначенное ему от Господа, Святитель с сонмом новомучеников и исповедников российских из горних обителей слушал молитву Церкви воинствующей: "Радуйтесь и веселитеся, я ко мзда ваша многа на небесах". Похоронили святителя на кладбище Новодевичьего монастыря. Почитание Святителя началось сразу после его кончины. На отпевание и погребение стихийно пришло несколько тысяч верующих жителей города. Храм не мог вместить и малой части и желающих проститься с Владыкой. Народом был заполнен весь монастырский двор и прилегающее кладбище. Apxипастырь, не проживший в период своего святительского служения и двух лет на свободе, по особому промыслу Божию закончивший свой земной путь именно в северной столице, стал предстателем и молитвенником и за петербургскую паству.