La última enfermedad del santo duró un año, al cabo de la cual murió el 10 de septiembre de 1305. Su fiesta litúrgica se conmemora el mismo día. Nicolás fue enterrado en la iglesia de su convento en Tolentino, en una capilla en la que solía celebrar la Santa Misa.
En el 40 aniversario de su muerte, su cuerpo incorrupto fue expuesto a los fieles. Durante esta exhibición los brazos del santo fueron removidos, y así se inició una serie de extraordinarios derramamientos de sangre que fueron presenciados y documentados.
El santuario no tiene pruebas documentadas respecto a la identidad del individuo que le amputó los brazos al santo, aunque la leyenda se ha apropiado del reporte de que un monje alemán, Teodoro, fue quien lo hizo; pretendiendo llevárselos como reliquias a su país natal. Sin embargo, sí se sabe con certeza que un flujo de sangre fue la señal del hecho y fue lo que provocó su captura. Un siglo después, durante el reconocimiento de las reliquias, encontraron los huesos del santo, pero los brazos amputados se hallaban completamente intactos y empapados en sangre. Estos fueron colocados en hermosas cajas de plata, cada uno se componía de un antebrazo y una mano.
Nicolás de Tolentino fue canonizado por el Papa Eugenio IV, en el año 1446. Hacia finales del mismo siglo XV, hubo un derramamiento de sangre fresca de los brazos, evento que se repitió 20 veces; el más célebre ocurrió en 1699, cuando el flujo empezó el 29 de mayo y continuó hasta el 1ro. de septiembre. El monasterio agustino y los archivos del obispo de Camerino (Macerata) poseen muchos documentos en referencia a estos sangramientos.
Dentro de la Basílica conocida como el Santuario S. Nicolás Da Tolentino, en la Capilla de los Santos Brazos, del siglo XVI, se encuentran reliquias de la sangre que salió de los brazos del santo. En un cofre ubicado encima del altar de plata, se halla un cáliz de plata del siglo XV, que contiene su sangre. Una urna del siglo XVII, hecha de piedras preciosas, tiene en exhibición, detrás de un panel de vidrio, el lino manchado de sangre que se cree que fue la tela que usaron para detener el flujo que hubo en el momento de la amputación.
Los huesos del santo, con excepción de los brazos, estuvieron escondidos debajo de la basílica hasta su redescubrimiento en 1926, fecha en que los identificaron formalmente y los pusieron en una figura simulada, cubierta con un hábito Agustino. Los brazos incorruptos, todavía en sus cubiertas o cajas de plata del siglo XV, se hallan en su posición normal al pie de la figura. Las reliquias se pueden apreciar en un relicario bendecido por el Papa Pío XI.
San Nicolás fue uno de los santos (junto a San Juan Bautista y San Agustín), que vinieron del cielo para llevar a Sta. Rita al convento. Ella también fue de la orden agustina.