Den 13 oktober 1601 deltog Tycho Brahe i ett gästabud. Det blev mycket drucket. Det sägs att Tycho kände trängningar i urinblåsan, men att han av artighetsskäl inte ville lämna bordet. Men han blev sämre och måste bege sig hem. Snart drabbades han av feber, yrsel och tidvis medvetslöshet. I feberyran yttrade han flera gånger: Ne frustra vixisse videar – Måtte jag då icke ha levat förgäves. Den 24 oktober tog han farväl av sina närmaste och dog fridfullt.
Han begravdes under stora högtidligheter i Teyn-kyrkan i Prag, där ett marmor-monument sattes upp 1604.
Analys av Tycho Brahes hår visade höga halter av kvicksilver. Man antog därför att han dött av förgiftning. Vid förgyllningen av instrument använde man kvicksilver. Tycho och hans assistenter måste ha inandats stora mängder kvicksilverånga både då och i samband med kemiska experiment. I många av Tychos mediciner ingick också kvicksilver. Allt detta kunde vara anledningen till att han dog menade man. Men senare analyser av hår från samtida människor, som liksom Tycho Brahe blev balsamerade, visade lika höga halter av kvicksilver. Forskarna menade att förstoring av prostatan var anledningen till Tychos död.
Lunds Universitet gjorde sommaren 1996 en PIXE-analys av hår från Tycho Brahe (PIXE = Particle Induced X-ray Emission). Med PIXE-metoden har det varit möjligt att se inte bara vilka ämnen som finns i håret utan även exakt var. Om kvicksilvret kom från balsameringen, skulle kvicksilver finnas på hårstrånas utsida. Om Tycho Brahe blivit långsamt förgiftad genom kemiska experiment eller förgyllning, skulle kvicksilver finnas inuti långa delar av hårstråna. Analysen har emellertid visat att bara ett av hårstråna innehöll kvicksilver. Detta hårstrå var det enda där hårsäcken fanns med och kvicksilvret befann sig nära hårsäcken. Det låg inuti håret, vilket visar att det kommit genom kroppen via blodet.
Man har beräknat att kvicksilverkoncentrationen stigit mycket snabbt, på kanske 5-10 minuter, och att den sjunkit lika snabbt. Detta samt kvicksilverkoncentrationens avstånd från hårroten visar att Tycho Brahe kan ha fått en stor dos kvicksilver cirka 20 timmar före sin död.
Analysen förklarar emellertid inte varför Tycho Brahe fick i sig kvicksilver. Kanske tog han det som medicin mot sin sjukdom. Detta vet man inte. PIXE-analysen har också blivit ifrågasatt av andra forskare.
