Pod koniec życia Palestrina zamierzał powrócić do swego rodzinnego miasta na stanowisko, od którego rozpoczynał karierę, jednak miesiąc przed planowanym wyjazdem do Palestriny, 2 lutego 1594 roku, kompozytor zmarł.
Twórczość Palestrina komponował przede wszystkim muzykę religijną. Był kompozytorem bardzo płodnym – znane są 104 msze (4-8 głosowe), około 370 motetów, około 70 hymnów, 35 magnificatów, po kilka lamentacji i litanii, około 140 madrygałów. Pierwsza, pełna edycja jego dzieł pochodzi z lat 1862–1907, obejmuje 33 tomy. Jego utwory reprezentują typowe gatunki muzyki XVI wieku, odzwierciedlające jego związek z papiestwem oraz tendencje stylistyczne powstałe w rezultacie postanowień soboru trydenckiego. Za najbardziej znaczące osiągnięcie Palestriny uważa się kompozycje do tekstu ordinarium missae. Jego msze oparte są na cantus firmus pochodzącym z chorału lub kompozycji własnej. Kompozytor stosował technikę imitacyjną, fauxbourdon oraz nota contra notam. Jego dzieła, przeznaczone zazwyczaj na chór a cappella, utrzymane są w czystej diatonice skal kościelnych. Jedną z głównych zalet stylu Palestriny jest ogromna staranność deklamacji tekstu. Cecha ta, a także prostota rytmiczna i harmoniczna oraz poważny charakter jego kompozycji zadecydowały o uznaniu przez sobór trydencki stylu palestrinowskiego, tzw.