W maju 2007 potwierdził przekazaną przez media informację o swojej chorobie – raku płuca. Przeszedł operację, która zakończyła się wycięciem komórek nowotworowych. W czerwcu stwierdzono, że Zbigniew Religa cierpi na nowotwór złośliwy płuc. W tym samym miesiącu wrócił do pracy w Ministerstwie Zdrowia. W lutym 2008 po nawrocie choroby został poddany operacji usunięcia nadnercza i chemioterapii. Przeszedł cztery operacje i dwa cykle chemioterapii.
Zmarł 8 marca 2009. Został pochowany 13 marca tego samego roku na cmentarzu Wojskowym na Powązkach w Warszawie w tzw. alei profesorskiej (kwatera A29-tuje-23). Był to pogrzeb świecki o charakterze państwowym z asystą kompanii honorowej Wojska Polskiego. Wzięli w nim udział m.in. prezydent Lech Kaczyński, marszałek Sejmu Bronisław Komorowski i premier Donald Tusk. Na pogrzebie odegrano melodię do „What a Wonderful World”, ulubionej piosenki Zbigniewa Religi.
Życie prywatne Syn Eugeniusza i Zofii. W 1962 zawarł związek małżeński z Anną Wajszczuk (1939–2025), lekarką zawodowo związaną z Warszawskim Uniwersytetem Medycznym. Miał dwoje dzieci: Małgorzatę (sinolog) i Grzegorza (kardiochirurga).
Deklarował się jako ateista.
Wystąpił gościnnie w roli kardiochirurga w 87. odcinku serialu Na dobre i na złe. [dostęp 2010-02-18]..