Умер он внезапно, в припадке ярости, которую нарочно вызвал один из его приближенных. В „Записках“ английского дворянина Д. Гарсея сказано, что за игрой в шахматы (или шашки) Иван Грозный вдруг „ослабел и повалился навзничь. Произошло большое замешательство и крик, одни посылали за водкой, другие — к аптекарям… за духовником и лекарями. Тем временем царь испустил дух и окоченел“.
Над умершим самодержцем был совершен обряд пострижения, на труп надели монашескую схиму и нарекли покойного Ионой. Так была исполнена воля Ивана Грозного, желавшего принятием монашеского сана искупить грехи и мерзости своей жизни.
Вскрытие царской гробницы велось в научных целях, чтобы по черепным костям восстановить облик Ивана Грозного, поэтому участвовали в нем сотрудники кремлевских музеев, Института судебно-медицинской экспертизы и других научных учреждений под руководством М.М. Герасимова — археолога, антрополога и скульптора. В результате исследования выяснилось также, что и раньше предпринимались попытки вскрыть царские гробницы, отчего левая ступня Ивана Грозного была задета. Но кем и когда это было сделано — сейчас точно сказать невозможно.
Схима, в которой похоронили Ивана IV, за четыреста с лишни лет настолько истлела, что при малейшем прикосновении к ней рассыпалась, а местами сохранились только ее контуры по швам. Изымать такую „одежду“ ученым приходилось, лишь подкладывая под нее плотные листы бумаги. В саркофаге находилось большое количество гумуса (черно-бурого порошкообразного тлена), содержащего частицы ткани одеяния и мелких тканей покойного. Череп царя был слегка повернут влево, основание его и левая височная кость оказались хрупкими и легко крошились. Необычно располагались кости правого предплечья: они были согнуты в области локтевого сустава таким образом, что концы пальцев как бы соприкасались с нижней челюстью… В основном же кости скелета Ивана Грозного сохранились довольно хорошо, и ученые, судя по ним, пришли к выводу, что царь обладал большой физической силой.
В изголовье саркофага стоял стеклянный кубок с густой жидкостью желто-бурого цвета и плотной массой на дне. В этой массе (как и в гробах сыновей Ивана Грозного) ученые обнаружили хитиновые скелеты мух и жуков-жужелиц, которые могли заползти в негерметично закрытые саркофаги. Особенно прекрасной работы был голубой кубок, который стоял в одном из углов саркофага. Неизвестны были ни место, ни время изготовления этого кубка, ни повод или событие, с которыми он был связан. И началась кропотливая работа ученых по установлению истории кубка, который представляет собой стакан на ножке общей высотой 18 сантиметров. Расписан он золотом и эмалями в четыре цвета (красный, желтый, зеленый и белый). Само стекло кубка синее — прозрачное в средней части и едва просвечивающее внизу.