W 2005 roku z powodu powikłań związanych z chorobą nerek Dee zmarła, mając 62 lata. Jej szczątki spoczywają na cmentarzu Forest Lawn Memorial Park w Hollywood Hills. Dee pozostawiła syna oraz dwie wnuczki.
Życie prywatne Małżeństwo Dee z Bobbym Darinem (1960–67) powodowało, że przez większość dekady media były jej osobą zainteresowane. Para spotkała się podczas realizacji zdjęć do filmu Kiedy nadejdzie wrzesień, który trafił na ekrany kin w 1961 roku. Miała podpisaną umowę z wytwórnią Universal Studios, która starała się przekształcić Dee w aktorkę dojrzałą, a filmy, w których już jako dorosła wystąpiła przyniosły umiarkowany sukces. 16 grudnia 1961 roku urodził im się syn, Dodd Mitchell Darin. Bobby Darin zmarł w 1973 roku w wieku 37 lat.
W 1994 roku opublikowana została książka napisana przez Dodda Darina o jego rodzicach – Dream Lovers: The Magnificent Shattered Lives of Bobby Darin and Sandra Dee – w której przedstawił historię jego matki walczącej z anoreksją oraz uzależnieniem od narkotyków i alkoholu, a także o jej zapewnieniu o tym, że jako dziecko została wykorzystana seksualnie przez