Sontag falleció el 28 de diciembre de 2004, en el hospital Memorial Sloan Kettering de Nueva York, a la edad de 71 años, debido a complicaciones de un síndrome mielodisplásico que desembocó en una leucemia mielógena aguda. El origen de la leucemia fue probablemente la radioterapia recibida casi tres décadas antes, empleada para la curación de un avanzado cáncer de mama que sufrió cuando tenía 43 años.
