W przeddzień otwarcia procesu karnego przed watykańskim trybunałem Wesołowski został przewieziony na oddział intensywnej terapii polikliniki Gemelii. Z powodu usprawiedliwionej nieobecności proces został otwarty i natychmiast bezterminowo odroczony. Wesołowski opuścił szpital 16 lipca 2015 i powrócił do Watykanu, gdzie zmarł 27 sierpnia 2015, a dzień później odnaleziono go martwego. Sekcja zwłok wykazała, że Józef Wesołowski zmarł na atak serca. Uroczystości żałobne biskupa i nuncjusza odbyły się 31 sierpnia 2015. W kaplicy Gubernatoratu Państwa Watykańskiego pod przewodnictwem abp. Konrada Krajewskiego, jałmużnika papieskiego, została odprawiona msza żałobna za zmarłego biskupa, gdzie zamiast kazania miała miejsca chwila ciszy i zadumy. Józef Wesołowski pochowany został zgodnie z obrzędem dla osób świeckich. Uroczystości pogrzebowe rozpoczęły się 5 września 2015 mszą św., której przewodniczył bp Jan Szkodoń, biskup pomocniczy krakowski i po mszy na cmentarzu w Czorsztynie odbył się jego pochówek.