เมื่อเวลาประมาณ 05:45 น. ของวันศุกร์ที่ 15 พฤษภาคม พ.ศ. 2558 พนักงานพยาบาลที่ดูแลหลวงพ่อคูณอยู่ที่วัดบ้านไร่ พบว่าหลวงพ่อมีอาการหมดสติไม่รู้สึกตัว จึงรีบแจ้งให้แพทย์จากโรงพยาบาลมหาราชนครราชสีมา และโรงพยาบาลด่านขุนทดมาวินิจฉัยโดยด่วน ซึ่งคณะแพทย์ตรวจประเมินว่า หลวงพ่อคูณหยุดหายใจ และหัวใจหยุดเต้น จึงปฏิบัติการช่วยฟื้นคืนชีพขั้นสูง อยู่เป็นเวลา 1 ชั่วโมง กระทั่งอาการทรงตัว จึงใส่เครื่องช่วยหายใจ พร้อมทั้งเครื่องกระตุ้นหัวใจ จากนั้นเมื่อเวลา 08:30 น. จึงรีบส่งเข้ารักษาต่อ ที่โรงพยาบาลมหาราชนครราชสีมาโดยด่วน พบว่ามีลมรั่วเข้าภายในปอดฝั่งซ้าย และมีเสมหะอุดตันทางเดินหายใจ จึงให้หลวงพ่อพักรักษาตัว ภายในหอผู้ป่วยวิกฤต (ไอซียู) โดยจัดคณะแพทย์และพยาบาล เฝ้าระวังดูแลอาการอย่างใกล้ชิด เนื่องจากสัญญาณชีพของหลวงพ่อยังไม่คงที่ จากนั้นคณะแพทย์จากโรงพยาบาลศิริราช เข้าร่วมทำการวินิจฉัยและรักษา กับคณะแพทย์โรงพยาบาลมหาราชนครราชสีมาด้วย ต่อมาเวลา 20:00 น. คณะแพทย์รายงานผลการตรวจรักษาหลวงพ่อว่า สัญญาณชีพยังไม่คงที่ ต้องใช้ยากระตุ้นหัวใจ และเครื่องช่วยหายใจ ขณะเดียวกัน มีเลือดออกในทางเดินอาหารจำนวนมาก ร่วมกับมีภาวะไตหยุดทำงาน เป็นผลให้ไม่มีปัสสาวะออกจากร่างกาย ทั้งนี้ภาวะผิดปกติที่แทรกซ้อนขึ้นทั้งหมด เกิดจากปอดและหัวใจ หยุดทำงานเป็นเวลานานและรุ่งขึ้น (วันเสาร์ที่ 16 พฤษภาคม) เมื่อเวลา 10:00 น. คณะแพทย์ผู้รักษารายงานว่า มีภาวะแทรกซ้อนเพิ่มขึ้น เนื่องจากการแข็งตัวของเลือดผิดปกติ เป็นผลให้มีเลือดออกในช่องทรวงอก จึงทำให้ระบบหายใจล้มเหลวและเกิดภาวะหัวใจหยุดเต้น คณะแพทย์จึงทำการช่วยฟื้นคืนชีพขั้นสูง สำหรับภาวะไตหยุดทำงาน คณะแพทย์ใช้เครื่องไตเทียมทำการฟอกเลือด จนกระทั่งเวลา 11:45 นาฬิกา คณะแพทย์ออกประกาศแจ้งว่า พระเทพวิทยาคม (หลวงพ่อคูณ ปริสุทฺโธ) มีอาการโดยรวมทรุดลง จนกระทั่งถึงแก่มรณภาพลงขณะทำการรักษา ภายในห้องอายุรกรรมผู้ป่วยหนัก โรงพยาบาลมหาราชนครราชสีมา จังหวัดนครราชสีมา สิริอายุ 91 ปี พรรษา 71 ซึ่งในการแถลงข่าวโดยคณะแพทย์ผู้รักษา เมื่อเวลา 12:15 น. น.พ.พินิศจัย นาคพันธุ์ แพทย์อายุรกรรมหัวใจชำนาญการ ผู้รักษาประจำของหลวงพ่อคูณ ในสถานะหัวหน้าคณะแพทย์กล่าวว่า สาเหตุแห่งการมรณภาพ เนื่องจากการหายใจหยุดลง เพราะมีลมรั่วเข้าไปภายในปอด หรือที่เรียกว่าปอดแตก เป็นเหตุให้หัวใจหยุดเต้น เนื่องจากคณะแพทย์ต้องช่วยปั๊มหัวใจ เป็นเวลานานถึง 1 ชั่วโมง ทั้งที่หากสมองขาดออกซิเจนเพียง 4 นาที ก็เข้าสู่ภาวะวิกฤตแล้ว หลังจากนำหลวงพ่อมายังโรงพยาบาล ก็พยายามช่วยกันเต็มที่ เมื่อเวลาประมาณ 05:40 น. ยังต้องปั๊มหัวใจเพิ่มถึงสองรอบ แต่ด้วยความที่หลวงพ่อ อยู่ในภาวะที่ไม่รับรู้ใดๆ นับแต่หมดสติที่วัดบ้านไร่แล้ว เมื่อการหายใจหยุดลง และหัวใจหยุดเต้นเป็นเวลานาน ก็ส่งผลให้อวัยวะอื่นๆ วิกฤตลงตามไปด้วย คือเข้าสู่ภาวะสมองตายตั้งแต่แรก ต่อมาแพทย์พยายามยื้อหัวใจ และต่อมาปอด จนมาถึงไต แต่แล้วในที่สุด อวัยวะสำคัญก็ล้มเหลวลงทั้งหมด หลวงพ่อจึงถึงแก่มรณภาพดังกล่าว จากนั้นมีการเปิดเผยพินัยกรรม ซึ่งหลวงพ่อคูณทำไว้ เมื่อวันที่ 25 มิถุนายน พ.ศ. 2543 มีใจความสำคัญระบุให้มอบสังขาร แก่มหาวิทยาลัยขอนแก่น ภายในเวลา 24 ชั่วโมงนับแต่มรณภาพ แล้วให้ทางมหาวิทยาลัยมอบให้แก่ ภาควิชากายวิภาคศาสตร์ คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น เพื่อให้นำไปศึกษาค้นคว้า ตามวัตถุประสงค์ของภาควิชา สำหรับพิธีกรรมทางศาสนา และการสวดพระอภิธรรม ขอให้คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประกอบพิธีขึ้นที่คณะเป็นเวลา 7 วัน ส่วนการประกอบพิธีบำเพ็ญกุศล เมื่อสิ้นสุดการศึกษาค้นคว้า ของภาควิชากายวิภาคศาสตร์ฯ มหาวิทยาลัยขอนแก่นแล้ว ให้จัดอย่างเรียบง่าย ละเว้นการพิธีสมโภชใดๆ ทั้งห้ามขอพระราชทานเพลิงศพ โกศ และพระราชพิธี อื่นๆ เป็นกรณีพิเศษหรือเป็นการเฉพาะ โดยให้คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ประกอบพิธีเช่นเดียวกับที่จัดให้แก่ อาจารย์ใหญ่ของนักศึกษาแพทย์ประจำปี ร่วมกับอาจารย์ใหญ่ท่านอื่น แล้วเผาที่ฌาปนสถานวัดหนองแวง (พระอารามหลวง) อำเภอเมืองขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น (หรือวัดแห่งอื่น) และเมื่อดำเนินการเสร็จสิ้นแล้ว ขอให้คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น นำอัฐิ เถ้าถ่าน และเศษอังคารทั้งหมด ไปลอยที่แม่น้ำโขง จังหวัดหนองคาย ตามที่เห็นสมควรและเหมาะสม โดยมีสักขีพยานประกอบด้วย รองคณบดีฝ่ายบริหาร คณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น (ขณะนั้น), ญาติ, ไวยาวัจกรวัดบ้านไร่ (ขณะนั้น) และนิติกรชำนาญการ ของมหาวิทยาลัยขอนแก่น ลงนามเป็นหลักฐาน ทั้งนี้ผู้มีส่วนเกี่ยวข้องทั้งหมด ร่วมกันประชุมและลงมติให้ดำเนินการ ตามพินัยกรรมฉบับดังกล่าวทุกประการ โดยไม่มีการนำไปบำเพ็ญกุศลที่วัดบ้านไร่เสียก่อน ดังที่มีลูกศิษย์จำนวนหนึ่งร้องขอแต่อย่างใด ซึ่งมีการเคลื่อนสังขารของหลวงพ่อคูณ ออกจากโรงพยาบาลมหาราชนครราชสีมา เมื่อเวลา 20:00 น.โดยไปถึงศาลา 25 ปีมหาวิทยาลัยขอนแก่น เมื่อเวลาประมาณ 22:00 น. เพื่อบรรจุสังขารลงในโลงแก้ว จากนั้นรุ่งขึ้น (วันอาทิตย์ที่ 17 พฤษภาคม) เวลาประมาณ 14:00 น. คณะลูกศิษย์พากันจัดริ้วกระบวน เพื่อเคลื่อนสังขารหลวงพ่อคูณ ไปยังศูนย์ประชุมอเนกประสงค์กาญจนาภิเษก ภายในมหาวิทยาลัยขอนแก่นนั้นเอง เพื่อตั้งสังขารบำเพ็ญกุศลและสวดพระอภิธรรม เป็นเวลา 7 วัน ตามที่ระบุไว้ในพินัยกรรม ซึ่งมหาวิทยาลัยขอนแก่น กำหนดจัดขึ้นตั้งแต่ วันอาทิตย์ที่ 17 ถึงวันเสาร์ที่ 23 พฤษภาคม ระหว่างเวลา 06:00-22:00 น. สำหรับสาเหตุที่ต้องเคลื่อนสังขารอีกครั้ง เนื่องจากศูนย์ประชุมดังกล่าว เป็นสถานที่กว้างขวางสะดวกสบาย สามารถรองรับพุทธศาสนิกชน ซึ่งเดินทางมาสักการะสังขารอย่างทั่วถึง ทั้งนี้ พระบาทสมเด็จพระปรมินทรมหาภูมิพลอดุลยเดช สมเด็จพระนางเจ้าฯ พระบรมราชินีนาถ และพระบรมวงศานุวงศ์ พระราชทานน้ำหลวงสรงศพ พวงมาลา 12 พวง โดยมอบหมายให้สำนักพระราชวังเป็นผู้ดำเนินการ พร้อมทั้งพระราชทานโกศโถบรรจุศพ พร้อมฉัตรเบญจาเป็นกรณีพิเศษ