En 1591, atacó con violencia a la población de Roma una epidemia de fiebre. Los jesuitas, por su cuenta, abrieron un hospital en el que todos los miembros de la orden, desde el padre general hasta los hermanos legos, prestaban servicios personales.
Luis iba de puerta en puerta con un zurrón, mendigando víveres para los enfermos. Muy pronto, después de implorar ante sus superiores, logró cuidar de los moribundos. Luis se entregó de lleno, limpiando las llagas, haciendo las camas, preparando a los enfermos para la confesión.
Luis contrajo la enfermedad. Había encontrado un enfermo en la calle y, cargándolo sobre sus espaldas, lo llevó al hospital donde servía.
Pensó que iba a morir y, con grandes manifestaciones de gozo (que más tarde lamentó por el escrúpulo de haber confundido la alegría con la impaciencia), recibió el viático y la unción. Contrariamente a todas las predicciones, se recuperó de aquella enfermedad, pero quedó afectado por una fiebre intermitente que, en tres meses, le redujo a un estado de gran debilidad.
Luis vio que su fin se acercaba y escribió a su madre: «Alegraos, Dios me llama después de tan breve lucha. No lloréis como muerto al que vivirá en la vida del mismo Dios. Pronto nos reuniremos para cantar las eternas misericordias.» En sus últimos momentos no pudo apartar su mirada de un pequeño crucifijo colgado ante su cama.
En todas las ocasiones que le fue posible, se levantaba del lecho, por la noche, para adorar al crucifijo, para besar una tras otra, las imágenes sagradas que guardaba en su habitación y para orar, hincado en el estrecho espacio entre la cama y la pared. Con mucha humildad pero con tono ansioso, preguntaba a su confesor, San Roberto Belarmino, si creía que algún hombre pudiese volar directamente, a la presencia de Dios, sin pasar por el purgatorio. San Roberto le respondía afirmativamente y, como conocía bien el alma de Luis, le alentaba a tener esperanzas de que se le concediera esa gracia.
En una de aquellas ocasiones, el joven cayó en un arrobamiento que se prolongó durante toda la noche, y fue entonces cuando se le reveló que habría de morir en la octava del Corpus Christi. Durante todos los días siguientes, recitó el "Te Deum" como acción de gracias.
Algunas veces se le oía gritar las palabras del Salmo: "Me alegré porque me dijeron: ¡Iremos a la casa del Señor!" (Salmo Cxxi - 1). En una de esas ocasiones, agregó: "¡Ya vamos con gusto, Señor, con mucho gusto!" Al octavo día parecía estar tan mejorado, que el padre rector habló de enviarle a Frascati. Sin embargo, Luis afirmaba que iba a morir antes de que despuntara el alba del día siguiente y recibió de nuevo el viático. Al padre provincial, que llegó a visitarle, le dijo:
-¡Ya nos vamos, padre; ya nos vamos ...!
-¿A dónde, Luis?
-¡Al Cielo!
-¡Oigan a este joven! -exclamó el provincial- Habla de ir al cielo como nosotros hablamos de ir a Frascati.
Al caer la tarde, se diagnóstico que el peligro de muerte no era inminente y se mandó a descansar a todos los que le velaban, con excepción de dos. A instancias de Luis, el padre Belarmino rezó las oraciones para la muerte, antes de retirarse. El enfermo quedó inmóvil en su lecho y sólo en ocasiones murmuraba: "En Tus manos, Señor. . ."
Entre las diez y las once de aquella noche se produjo un cambio en su estado y fue evidente que el fin se acercaba. Con los ojos clavados en el crucifijo y el nombre de Jesús en sus labios, expiró alrededor de la medianoche, entre el 20 y el 21 de junio de 1591, al llegar a la edad de veintitrés años y ocho meses.
Los restos de San Luis Gonzaga se conservan actualmente bajo el altar de Lancellotti en la Iglesia de San Ignacio, en Roma.
Fue canonizado en 1726.
El Papa Benedicto XIII lo nombró protector de estudiantes jóvenes.
El Papa Pio XI lo proclamó patrón de la juventud cristiana.