Mesut Yılmaz, 73 yaşında vefat etti. Yılmaz, Şişli'de bir özel hastanede tedavi görürken, 30 Ekim 2020 tarihinde aramızdan ayrıldı. Uzun bir süredir akciğer kanseri ile mücadele eden Yılmaz, son dönemde sağlık sorunları yaşamaktaydı. Tedavi gördüğü hastanenin Başhekimi Uzm. Dr. Özgür Şamilgil, vefatla ilgili şu açıklamayı yaptı:
"Hepimizin bildiği gibi Türkiye Cumhuriyeti eski başbakanlarından Sayın Ahmet Mesut Yılmaz, yaklaşık 2 yıldır akciğer kanseri ve sonrasında gelişen tıbbi durumlar nedeniyle sürdürdüğü mücadelesine bugün itibarıyla yenik düşmüş ve Hakk'ın rahmetine kavuşmuştur. Kederli ailesine ve sevenlerine sabır dileriz, Türk milletinin başı sağ olsun."
Mesut Yılmaz, Türk siyasetine önemli hizmetlerde bulunmuş ve uzun yıllar boyunca aktif rol almış bir isimdi. Ölümü, siyaset dünyasında derin bir üzüntü yaratmıştır. Mesut Yılmaz, vefatının ardından sevenleri tarafından büyük bir özlemle anılmaktadır.