2 ноября 1083 г., пока все еще продолжалась борьба с мятежниками, умерла Матильда. Королеву похоронили в основанном ею монастыре Святой Троицы в Кане. Ордерику Виталию принадлежат несколько традиционных, подобающих в данном случае высказываний о ее благочестии, но она остается для нас совершенно бледной исторической фигурой. По всей видимости, Вильгельм был верным мужем, а последний ребенок родился у них в 1068 г. Со времени завоевания Англии Матильде в Нормандии даже доверили исполнение весьма почетных обязанностей. Однако, учитывая характер Вильгельма и его деяния, трудно поверить, что в отношениях между супругами была особая нежность или что у них была нормальная семейная жизнь. Тем не менее ее смерть имела одно серьезное последствие для их семьи, так как примерно в это же время Роберт Коротконогий полностью порвал отношения со своим отцом.

С лета или осени 1085 г. до лета 1086 г. Вильгельм находился в Англии, принимая меры для защиты королевства от угрозы датского нашествия. Здесь же он принял первых послов от Губерта, прибывших из Сент-Сюзанна с просьбой о мире, а затем и самого Губерта. Хотя виконт и не потерпел поражение, это восстание его утомило, да и сам Вильгельм был рад избавиться от наболевшей проблемы. После этого король вернулся в свое герцогство, чтобы в Байе отпраздновать свадьбу своей дочери Констанцы и Алана Фергана, графа Бретонского. Теперь, когда в Мэне был восстановлен порядок и по-прежнему было в силе мирное соглашение с Анжу, а дочери были выданы за правителей Блуа, Шартра и Бретани, Вильгельм вполне мог считать, что он добился определенных результатов, так как ему удалось одолеть своих противников. Оставалась только одна проблема — Вексен, и для ее решения вскоре представилась благоприятная возможность.

Солдаты французского гарнизона в Манте совершили внезапное нападение на земли к югу от Сены за рекой Эр, являвшейся границей епархии Эвре, и разорили поместья Рожера д'Иври, дворецкого Вильгельма и сеньора Бекли (в Оксоне), а также местечко Паси, феодальное владение Гильома де Бретея, наследника Гильома Фиц-Осборна в Нормандии. Король Вильгельм бросил вызов своему французскому сюзерену, заявив о своих правах на весь Вексен и потребовав от Филиппа возвратить три главные крепости в Вексене Французском — Шомон, Мант и Понтуаз. Филипп отверг это требование, и в последнюю неделю июля 1087 г. Вильгельм вступил в Мант, застав противника врасплох, но сам не ожидал, что нормандские солдаты, которые всегда торопились пустить в ход свои факелы, подожгут город и станут его грабить. Сгорела и церковь Св. Марии, а вместе с ней и какой-то отшельник. Из-за полноты Вильгельм стал неповоротливым, а жара и напряжение в этот день стали причиной болезни, от которой он вскоре умер. Его отвезли обратно в Руан, а затем — поскольку ему было тяжело переносить шум этого оживленного города — на окраину в церковь Св. Гервасия, принадлежавшую герцогскому аббатству Фекан. Здесь королю, которому шел уже шестидесятый год, отвели отдельные покои.

Вильгельма мучила тошнота, и он вообще не мог принимать пищу. Обследовав его мочу, лекари потеряли всякую надежду на его выздоровление. Вильгельм знал, что умирает. Ясный рассудок он сохранял до самой смерти. Для примирения с людьми и Богом ему оставалось пять недель. Самое раннее описание его часов на смертном одре нам оставил анонимный автор — вероятно, монах из аббатства Св. Стефана в Кане, где Вильгельм был похоронен. В книге Ордерика Виталия смерть и похороны короля — одни из наиболее впечатляющих эпизодов, и на этих страницах автор дает обзор всей жизни Вильгельма и выносит ей свою оценку. Хотя сведения обоих хронистов о предсмертных часах Вильгельма приблизительно совпадают, между ними есть некоторые различия. Ордерик, например, сообщает много подробностей, достоверность которых едва ли можно проверить, хотя они, вероятно, основаны на устоявшейся народной традиции. Он также приводит тщательно продуманную исповедь, которую, скорее всего, сам и сочинил.

По свидетельству анонимного автора, за больным королем ухаживали архиепископ Руанский Гильом по прозвищу Добрая Душа, епископ Лизье Жильбер Мамино, Жан де Виллула, лекарь короля, позднее ставший епископом Батским, и Жерар, королевский канцлер и регент церковного хора в Руане, который впоследствии достиг в Англии довольно высокого сана. Мирянин упоминается только один — брат Вильгельма Роберт, граф Мортенский. Ордерик утверждает, что в тот момент, когда Вильгельм покинул этот свет, с ним были два прелата — вышеупомянутый епископ Лизье и Гюнтер, аббат Жюмьежский. От него мы также узнаём, что к умирающему королю был вызван Ансельм, аббат Бекский, но поскольку он сам заболел, ему так и не удалось добраться до церкви, где находился безнадежно больной король. Можно не сомневаться в том, что перед смертью Вильгельм покаялся. Вероятно, он признал, что большую часть жизни воевал, но вместе с тем нашел оправдание своим войнам, он сознался во многих грехах, в том числе и в алчности, которая была одной из неявных причин, подвигнувших его к завоеванию Англии, но в то же время обратил внимание на то, какие услуги он оказал церкви, и предложил исполнить епитимью за счет своих богатств. Согласно обоим источникам, Вильгельм приказал слугам составить опись всех своих сокровищ — денег, корон, оружия, церковной утвари, молитвенников и облачений, — находившихся, очевидно, в руанской сокровищнице, в его дворцовых покоях и придворной капелле. Затем — видимо, в присутствии своих сыновей, Вильгельма и Генриха, — король продиктовал завещание, по которому отдавал свои богатства различным церквям и малоимущим. В частности, Вильгельм послал щедрые дары священнослужителям Манта для восстановления сожженных им церквей. Вполне возможно, что он, как пишет Ордерик, посоветовал своим сыновьям почитать церковь и всегда следовать наставлениям добрых и мудрых людей. Затем он поделил между ними свои земли.

Относительно этого раздела источники расходятся, однако большую уверенность нам внушают сведения анонимного автора, у которого, в отличие от Ордерика, было меньше причин относиться с неприязнью к Вильгельму Рыжему, хотя и не стоит забывать, что он сам, возможно, не любил Роберта. Присутствующему у одра Вильгельму Рыжему умирающий король отдал свою корону, меч и скипетр. По словам Ордерика, он приказал написать и скрепить печатью адресованное архиепископу Ланфранку письмо «о назначении короля Англии», передал это письмо сыну и распорядился, чтобы тот немедленно отправлялся в Англию и занял трон. Вильгельм опасался, что в королевстве возникнут беспорядки, а Роберт начнет плести интриги. Старший сын отсутствовал — он был вместе с врагом короля Филиппом Французским, и, вероятно, в какой-то момент могло даже показаться, что Вильгельм собирается лишить его наследства. Ордерик заявляет, что, хотя Вильгельм был опечален и возмущен, у него не было намерения отобрать у Роберта Нормандию, на которую у последнего были все права признанного наследника. Анонимный автор в свою очередь утверждает, что убеждать короля принять это решение пришлось архиепископу Руанскому и другим присутствующим и что он сделал это с неохотой. Вероятно, при этом Вильгельм произнес резкие слова и безошибочно предсказал, что правление Роберта обернется для Нормандии большой бедой. В конце концов, по словам Ордерика, писавшего свой труд во время царствования Генриха I, о своей доле спросил младший сын, не получивший никаких земельных владений, и узнал, что ему досталось 5 тыс. фунтов серебра, которые, как считалось, были завещаны ему матерью. Таким образом, Вильгельм до конца был верен своей политике не создавать апанажей для своих сыновей.