Alors qu'il stationnait à Lyon, le dauphin s'amusa à une partie de jeu de paume. En sortant de cette partie endiablée, François, assoiffé ingurgita un verre d’eau glacée. Que cela soit d’un refroidissement interne ou externe, le dauphin attrapa une mauvaise fièvre dont il ne se remit pas. Il mourut une semaine plus tard au château Tournon-sur-Rhône sous les yeux de Ronsard enfant qui avait été nommé page du dauphin. "Six jours devant sa fin, je vins à son service,
Mon malheur me permit, qu'au lict, mort je le veisse,
Non comme un homme mort, mais comme un endormy
Ou comme un beau bouton qui se penche à demy…".
Bien que l’autopsie n’ait révélé aucune trace de substances douteuses, le gentilhomme italien qui lui avait apporté le verre fut écartelé. Il faut préciser que le malheureux Sébastien de Montecuculli, arrivé dans les bagages de Catherine de Médicis, semble avoir détenu dans les siens des documents préjudiciables au regard des circonstances …de là à penser à un petit coup de pouce pour rapprocher Henri du trône…
Le dauphin fut inhumé dans la collégiale Saint-Julien de Tournon. Au mois de mai 1547, à l'occasion des funérailles de son père, sa dépouille mortelle regagnait Paris. Déposée en l'église Notre-Dame-des-Champs, elle prit le chemin de la basilique Saint-Denis le 23 mai pour y être inhumée dans le même caveau que François Ier et que son frère Charles d'Angoulême.
Ce mausolée, réalisé par l'architecte Philibert de l'Orme entre 1549 et 1558, est le plus important des tombeaux de la basilique Saint-Denis.
Sur la plate-forme supérieure, les souverains agenouillés sont accompagnés de trois de leurs enfants, dont François dauphin.