1970年4月，王进喜回故乡玉门参加“全国石油工作会议”期间，胃病加重。4月19日，胃病日渐严重的王进喜从玉门来到达北京，住进了解放军301医院。检查后发现铁人的胃部阴影，又经二次肠胃检查，初步确认为“胃贲门癌，侵犯胃小弯”。这是多么残酷的宣判！可当燃料化学工业部部长伊文把诊断结果和手术方案告知他时，铁人却平静而乐观的说：“癌症也是个纸老虎。我坚决听从领导和医院的安排，一不怕苦，二不怕死。告诉医生大胆治，治好了我回大庆再干它20年，治不好他们也可积累些经验。请大家放心！”在场的人都为铁人这大无畏的英雄气概所感动。
手术方案得到周总理、李先念同志批准后，301医院于5月4日为王进喜做了胃切除手术。手术后王进喜的精神状态特别好，情绪乐观，以顽强的毅力配合医生治疗。为铁人治病的专家、大夫和护理过铁人的护士最突出的感受是：“铁人虽然身体躺上了病床，但意志弥坚，精神不倒。”
手术以后，要进行一系列的辅助治疗措施，有些是很痛苦的，可铁人不在乎。上楼下楼，来来去去，积极配合治疗，始终充满信心，在重病号中表现出少有的一种朝气，医护们十分感动。医疗专家们说，癌症患者就怕天天想着那个“癌”。而铁人不是这样，对癌除了积极治疗外，他不想它。他想什么呢？医护人员说，他想的是事业、工作、钻井、拿油。
时至9月，王进喜感觉自己病好了，叫人心烦的肩疼消除了，胃疼也轻多了，咽唾沫，吃东西顺畅了，叫人喘不过气来的阻塞感没有了。他逢人便说：“这下可好了，我病好了，可以回大庆啦。”甚至嘱咐弟弟：“你告诉妈，我过了国庆节就回去了。”国庆节前夕，燃料化学工业部转来了党中央、国务院的请柬：请他出席国宴和国庆观礼。
经过艰苦磨砺和风风雨雨的王进喜哪里知道，他自己感觉病好了，实际上是病更重了。由于铁人所患的胃贲门癌在确诊时已是晚期，虽经开刀治疗，但仍然没有有效控制病情，最后还是发生了转移。国庆节前他感觉好些了，实际是癌细胞已经转移到肝部，贲门通了，所以感觉吃饭咽东西痛快了。而王铁人误以为病好了，非常高兴，还张罗着准备出院回大庆。他能够顺利、愉快地参加了这次国庆观礼，也是医院根据上级安排，用医药提供了保证。
上至国家总理，下至油田工人，方方面面都在关心着铁人的病情。医院方面也是千方百计地为铁人请医用药，但铁人的病情不见好转。11月初，肝癌的剧痛使铁人进入了半昏迷状态。而这时的铁人想的仍然是大庆，是石油，是工作。只要清醒过来，他还是同身边的人不停地谈工作。来的是干部代表，他就说大庆困难还不少，你们担子重，不要怕；来的是军代表，他就说要认真落实政策，把总理指示贯彻好；来的是群众代表，他就说大庆是党中央的大庆，毛主席的大庆，全国人民的大庆，你们千万不要忘记这一点，不要做出对不起党和人民的事情；来的是老战友，他就说我们都是石油娃，为油大干几十年了，可别忘了艰苦奋斗，要把这传给我们的娃……
在这期间铁人交待了3件事：
有一天，他用颤抖的手从枕头下边摸出一个小纸包，交给守候在床前的一位领导同志，说：“这笔钱，把它花到最需要的地方去，我不困难。”打开纸包发现，里面是从住院以来党组织给他的补助费和一个红色塑料皮笔记本，笔记本里夹着一张铁人亲笔写的记账单。记账单上一笔一笔写着住院期间组织上给他送来的钱数。在场的领导和同志们凝视着这一分不少的现金和这张字字千钧的“记账单”，无不为之动容，流下了感动的热泪！
有一天，弟弟王进邦守在床前，王进喜费力地从衣袋里掏出300元钱交给弟弟，断断续续地说：“看情况，我可能看不到妈妈了。母亲这一辈子很苦。我回不去，你就用这点钱为我尽尽孝道吧！”
还有一天，妻子、弟弟和儿子在，他对大家说：“我万一不行了，你们就回玉门吧。请部里领导想办法把你们办回去。其他的什么要求都不要提，不要再给组织添麻烦。”。为什么他要让家属回玉门呢？是替亲人着想叶落归根？后经多方商量，组织上还是把铁人的家属留在大庆。
1970年11月15日23时42分，因医治无效，铁人的心脏停止跳动，老英雄离开了我们。日理万机的周总理正在开一个会，得知铁人病危立刻离开会场赶往医院。当他23时50分赶到铁人病床前时，铁人已经停止呼吸。总理俯身深情地望着铁人，不停地叨念：“我来晚了，我来晚了！”“铁人呀，你怎么瘦成这个样子！”
1970年11月18日下午，在北京八宝山革命烈士公墓，举行了“向王进喜同志告别仪式”。王进喜同志的骨灰安放在八宝山公墓正堂一室。
1970年11月19日上午，在大庆举行了隆重的追悼大会，大庆干部、职工、家属、解放军指战员和学生代表1000多人沉痛悼念铁人王进喜同志。同时还发出了《关于宣传和学习铁人王进喜同志的决定》。
王铁人走完了47个春秋不平凡的春秋。他用生命的火炬，点燃了大庆的“石油之光”，也点燃了中国石油工业熊熊燃烧的“我为祖国献石油”的创业激情。