Obie tragedie odbiły się na jego zdrowiu – zaczął cierpieć na krwotoki z nosa i załamanie nerwowe.
Pomimo pogarszającego się stanu zdrowia w lipcu 1849 roku udał się do Warszawy, aby dokonać przeglądu podległych mu oddziałów gwardii i grenadierów. Podczas inspekcji doznał udaru, w wyniku którego został częściowo sparaliżowany. Zmarł 9 września 1849 roku w Belwederze w Warszawie. Jego ciało przewieziono do Petersburga i pochowano w Soborze Pietropawłowskim. Śmierć Michała głęboko dotknęła cesarza Mikołaja I oraz całą rodzinę Romanowów.
Małżeństwo i dzieci mały|Wielka księżna Helena Pawłowna Michał pozostawał nieżonaty do 26. roku życia. O wyborze jego przyszłej małżonki zdecydowała cesarzowa wdowa Maria Fiodorowna, wskazując księżniczkę Charlottę Wirtemberską, córkę księcia Pawła Wirtemberskiego. W 1822 roku Michał udał się do Stuttgartu, aby poznać przyszłą narzeczoną, którą współcześni opisywali jako niezwykle urodziwą i pełną wdzięku. Według relacji nie darzył jej jednak szczególną sympatią, prawdopodobnie pod wpływem swojego brata Konstantego, który po nieudanym małżeństwie z Julią z Saksonii-Coburga-Saalfeld żywił niechęć do niemieckich księżniczek.