ในปลายรัชสมัย สมเด็จพระบิยมหาราช ทรงมีพระพลานามัยที่ไม่ค่อยแข็งแรง เนื่องจาก ทรงกรำพระราชกิจอย่างหนัก ทำให้พระอาการ ทรุดลงอย่างรวดเร็ว ในช่วงเวลานี้พระองค์ มักประทับประจำอยู่ ณ พระที่นั่งอัมพรสถาน ในบริเวณ พระราชวัง สวนดุสิต
พระองค์เริ่มมีพระอาการประชวร ที่พระนาภี แม้ว่าจะได้รับการเยียวยา จาก หมอฝรั่ง แต่ พระอาการ ก็ไม่ทุเลาลง และในวันที่ 17 ตุลาคม พ.ศ.2453 พระเจ้าอยู่หัว รัชกาลที่ 5 ทรงรับสั่งให้ มหาดเล็ก ไปเชิญพระบรมวงศานุวงศ์ และ ขุนนาง ผู้ใหญ่เข้าเฝ้า ณ พระที่นั่ง อัมพรสถาน ชั้น 3 และ แล้ว วันที่ 23ตุลาคม เวลา เที่ยงคืน 45 นาที พระบาทสมเด็จ พระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ก็เสด็จ สวรรคต ณ พระตำหนัก อันทรงโปรดปรานมากที่สุด ที่นั่นเอง