齐心一行把他们在老区亲身体验和了解到的情况作了认真整理，制成录像带，把拍摄的大量照片制成影集，还撰写了《关于在陕甘革命老区考察的报告》和《追寻远逝的岁月——习仲勋革命旧址巡礼》的文章。回到深圳后，齐心详细地向习仲勋讲述了所见所闻，把录像带及照片给习仲勋观看。习仲勋反复地观看他们带回的资料，审阅了齐心撰写的报告，感慨良多，再次萌发了第二年chūn暖花开时回陕北老区的想法。
但是谁也没有料到，癌细胞已在他体内衍生，病魔向他袭来。
二〇〇一年的冬天，北国大地已是冰封千里，南国深圳却暖意融融，习仲勋正常地生活着。这时，医务人员和身边工作人员发现习仲勋的面容消瘦了，体重也减了下来。医务人员建议用饮食和药物调整，再进一步观察。习仲勋对此不以为然，甚至觉得医生和工作人员小题大做，依然像往常一样地生活和活动，仍然快乐地和工作人员谈天说笑。但是，他散步比以前吃力了，有时还显得疲惫，体力不济。细心的女儿桥桥发现父亲身体的细微变化，要医务人员和工作人员认真观察。在医生的安排下，去医院为习仲勋做了检查，发现肾脏部位有病变，随即向中央作了报告。
中央领导得知习仲勋的病情后，即指示中央保健办派专家组到深圳会诊，结果是怀疑为癌症病变，建议做进一步检查。元旦前夕，广州南方医院为习仲勋做了全面检查，发现癌细胞已广泛扩散，许多地方都有病灶显示。这个结果使家人和身边工作人员心情极为沉重。二〇〇二年一月十八日，习仲勋咳痰加重，二十七日作了颈部和腹部检查，又发现左肾有肿块。
习仲勋的病情最后确诊时，也快到chūn节了。大家被沉重的yīn影所笼罩，没有了往年节日的喜庆气氛。没有料到，这时习仲勋的病情却有了缓解。用药后，他的体温得到控制，也没有出现什么新的症状和不适之感，家人和身边工作人员紧张的心情暂时放松下来。
为了有一个祥和喜庆的新年气氛，深圳接待办在习仲勋住所周围换上新的花草，有他喜爱的勒杜鹃和时令鲜花，齐心和女儿还专门为他定做了一身暗红色的古朴庄重的唐装。习仲勋穿上唐装，在接受晚辈和工作人员拜年时，笑得合不拢嘴。大家为他高兴，祈祷祝福，祈望他早日康复。家人和工作人员还约定：同他一起努力，战胜病魔!
chūn节后，按照医生建议，习仲勋先后到麒麟山庄、仙湖植物园休息和散步。这里风景秀丽，空气新鲜，习仲勋非常喜欢这些地方，心情舒畅，每天坚持定时散步活动。但不久，他的病情又一次恶化，连续多日高烧不退，药物也渐渐失去了疗效，医生要求立即住医院治疗。习仲勋不喜欢吃药打针，更不喜欢住在医院，坚持不去。经过多方做工作，他才答应听从组织安排，住进深圳人民医院。其间，习仲勋病情加重，但他仍坚持会见重要的来宾。由于没有特别有效的治疗办法，专家及医务人员十分焦急。
四月，李瑞环在深圳视察时特别到医院看望习仲勋，带来了中共中央对他的问候和关心，并安排他回北京治疗。
四月十七日，习仲勋乘专机回到北京，住进解放军三。五医院。治疗期间，江泽民、李鹏等许多中央领导及亲朋好友都来看望。他不顾病痛，每次都振作jīng神接待来人，和他们jiāo谈，依然关心着党和国家的大事，表示坚决支持和拥护党中央的领导，并关切地说，事业是大家的，要搞好团结，关心群众，做好群众工作，关心年轻一代，多给年轻人压担子。
他坚持与病魔作斗争，乐观向上，不时与身边的医生和工作人员聊天、开玩笑，即使在病魔肆nüè最厉害的时候，他也只是微蹙眉头，轻捶腰部，有时用家乡话低声骂一句：“呵哟!狗日的，疼得很!”直到最后进食困难、处于昏迷状态的时候，他都十分坚qiáng。医务人员为他的乐观jīng神和坚qiáng毅力所感动，感叹说，癌症到了晚期，癌细胞扩散，病人非常疼痛，但习仲勋能忍得住，还这么镇定乐观，很不容易，真是毅力惊人呀!
五月二十四日凌晨，习仲勋医治无效，与世长辞。
当天新华通讯社发布新闻通稿：中国共产党的优秀党员，伟大的共产主义战士，杰出的无产阶级革命家，我党、我军卓越的政治工作领导人，陕甘边区革命根据地的主要创建者和领导者之一，国务院原副总理，中国共产党第十一届中央委员会书记处书记，第十二届中央政治局委员、书记处书记，第五届、第七届全国人民代表大会常务委员会副委员长习仲勋同志，因病医治无效，于二〇〇二年五月二十四日五时三十四分在北京逝世，享年八十九岁。
五月三十日，习仲勋的遗体在北京八宝山革命公墓火化。上午，八宝山革命公墓礼堂庄严肃穆。礼堂正厅上方悬挂着“沉痛悼念习仲勋同志”黑底白字的横幅，下方是习仲勋的遗像。鲜花翠柏丛中，习仲勋安然静卧，身上覆盖着中国共产党党旗，周围摆放着各界敬献的花圈、挽联。上午九时，江泽民、李鹏、朱镕基、胡锦涛、尉健行、丁关根、田纪云、李铁映、迟浩田、张万年、姜chūn云、贾庆林、钱其琛、温家宝、曾庆红、万里、乔石、宋平、王光英、布赫、何鲁丽、曹志、许嘉璐、蒋正华、司马义·艾买提、王忠禹、肖扬、韩杼滨、王兆国、阿沛·阿旺晋美、任建新、张思卿、钱正英、朱光亚、万国权、胡启立、陈锦华、白立忱、张克辉、王文元和廖汉生、王芳、谷牧、马文瑞、郑天翔、刘复之、杨白冰、王汉斌、张震、倪志福、陈慕华、李锡铭、王丙乾、洪学智、韩光，中央军委委员于永波、王克、曹刚川、徐才厚等在哀乐声中缓步来到习仲勋的遗体前，肃立默哀，向习仲勋的遗体三鞠躬，并与家属一一握手，表示慰问。
习仲勋病重期间和逝世后，前往医院看望或以各种形式向亲属表示慰问的还有：李瑞环、李岚清、李长chūn、吴邦国、吴官正、罗gān、huángjú、吴仪、刘华清、荣毅仁、薄一波、宋任穷、邹家华、帕巴拉·格列朗杰、程思远、铁木尔·达瓦买提、吴阶平、彭佩云、周光召、丁石孙、成思危、叶选平、杨汝岱、巴金、钱伟长、宋健、李贵鲜、陈俊生、丁光训、孙孚凌、霍英东、马万祺、赵南起、毛致用、经叔平、罗豪才、周铁农和李德生、萧克、张劲夫、张爱萍、段君毅、huáng华、彭冲、杨成武、吕正操、费孝通、孙起孟、雷洁琼、吴学谦、赛福鼎·艾则孜、钱学森、苏步青、董寅初、邓力群、张廷发，香港特别行政区行政长官董建华、澳门特别行政区行政长官何厚铧，中央军委委员傅全有、王瑞林、郭伯雄等。
习仲勋逝世的消息传出后，各界人士和人民群众都十分悲痛，有的自发地送来花圈花篮，寄托哀思;有的打电话、发唁电，表示悼念;前来家中吊唁的人更是络绎不绝。在深圳的疗养地，人们纷纷来到这里献花圈，送花篮，表达对习仲勋的敬仰和怀念。当时有人统计，仅北京一处就收到花圈、花篮三千八百多个，吊唁的群众不计其数。人民怀念着习仲勋。