O estado de saúde de Boltzmann já estava mal há muito tempo. Várias vezes procurou tratamento psicológico por causa da neurastenia. Sofria de extremas oscilações de humor, fases de grande exaltação alternadas com profundas depressões. Boltzmann mesmo disse que nasceu na noite entre o carnaval e quarta-feira de cinzas, e que este contraste se apresentou durante durante sua vida inteira.[18] Além disto, era extremamente míope e já em 1873 preocupou-se com uma possível cegueira.[19] No ano de 1900 a sua visão tinha piorado de jeito que contratou uma dama que lhe lia sua literatura científica. Ditou as suas próprias obras à sua esposa. Sofreu também de asma, pólipos de nariz, dores de cabeça, males dos rins e bexiga e diversas outras doenças, como é documentado em cartas escritas por sua mulher à sua filha Ida, em Leipzig, nos anos de 1902 e 1903.[20]
No dia 5 de maio de 1906, Boltzmann recebeu a concessão de licença por causa da sua grave neurastenia. Stefan Meyer assumiu o cargo de suas aulas. Boltzmann passou o verão de 1906 em Duino, junto com a sua família, na costa do Mar Adriático, na região norte de Trieste. No dia 5 de setembro de 1906, um dia antes do retorno a Viena, Boltzmann enforcou-se no seu quarto de hotel. Já em 7 de setembro de 1906, o jornal Neue Freie Presse relatou que o professor Boltzmann tinha sofrido de neurastenia por muito tempo e tinha ido a Duino, em companhia de uma de suas filhas, para passar o verão. Quando a filha observou que o pai não tinha saído do seu quarto, ela entrou e o achou morto, enforcado em uma barra de ferro da janela.[21] Um dia mais tarde, a Neue Freie Presse imprimiu laudos necroscópicos para Boltzmann, escritos por Ernst Mach e Franz Serafin Exner.[22]
Boltzmann foi sepultado no Döblinger Friedhof em Viena. Em 1929 seus restos mortais foram exumados e trasladados para uma sepultura honorária no Cemitério Central de Viena.[23] A um comitê de professores "foi dada a tarefa honrosa de providenciar a construção de um monumento digno", que foi realizado na forma de um busto em mármore de carrara. O busto, obra do escultor Gustinus Ambrosi, com representação marcantemente heroizada, mostra pouca semelhança com Boltzmann. Ao fundo é mostrada a famosa fórmula S = k log ⁡ W {\displaystyle S=k\log W}
inscrita no mármore. O monumento foi festivamente descerrado na presença do conselho de cidade Julius Tandler, Wolfgang Pauli, Hans Thirring, da viúva de Boltzmann, do filho Arthur e diversas outras pessoas.[24]
Boltzmann trabalhou em quase todas as áreas da física do século XIX. Publicou 139 artigos científicos originais, assim como três manuais que resultaram de materiais preparados para suas aulas.
No início do século XIX, a química fez importantes progressos. Joseph Louis Proust elaborou a Lei das proporções definidas. John Dalton derivou desta lei a existência de átomos como elementos básicos estruturais de compostos químicos e determinou as massas atômicas de numerosos elementos químicos. Partindo da observação de que as massas atômicas são aproximadamente múltiplos da massa do átomo de hidrogênio, William Prout formulou a hipótese de que o átomo de hidrogênio é o elemento básico da matéria. Foi só no século XX que se descobriu que existe, além do núcleo do hidrogênio, o protão, um elemento mais que forma o núcleo do átomo - o neutrão. Na química, em meados do século XIX, a existência de átomos foi reconhecida amplamente, e, no ano de 1869, a publicação da tabela periódica por Dmitri Mendeleiev forneceu uma fundamentação sistemática à teoria atômica.
Por outro lado, a teoria atômica foi só parcialmente aceita no domínio dos físicos. Para muitas questões físicas investigadas na época, ela não era relevante. Foi só na última década do século XIX que a teoria atômica foi atacada massivamente. Entre os adversários desta teoria encontravam-se não só Ostwald e Helm, os defensores da teoria energética, mas também Ernst Mach, cuja Epistemologia fenomenológica rejeitou a existência de átomos que não fossem acessíveis aos sentidos humanos. Estas tendências eram limitadas geograficamente ao espaço da língua alemã e, parcialmente, na França (Pierre Duhem). Na Inglaterra, estas teorias tiveram poucos partidários.
Uma das primeiras investigações científicas de Boltzmann, datada no ano de 1867, analisa a quantidade de átomos em moléculas de gázes.[25] Na maioria das suas publicações fala de átomos e moléculas, cuja existência é assumida como natural. Foi só quando começaram as hostilidades de Mach e dos defensores da teoria energética que Boltzmann escreveu vários ensaios (Sobre a indispensabilidade da atomística nas ciências naturais,[26] Mais uma vez sobre a atomística[27]) nas quais discuta os argumentos fenomenológicos: a divisibilidade infinita da matéria não é acessível aos sentidos humanos tanto como a existência dos átomos: os dois são hipóteses não fundamentadas. Mas a hipótese atômica dá explicações mais claras para diversos fenômenos observáveis e por isso é a hipótese preferível:
A questão se a matéria é contínua ou composta por átomos se reduz à questão se as propriedades observáveis da matéria são melhor explicadas pelo pressuposto de uma quantidade extraordinariamente larga mas finita de partículas, ou pelo pressuposto do limite de uma quantidade sempre crescente de partículas.[28]
… todos falam de opiniões interessantes sobre o jeito da estrutura dos átomos. A palavra 'átomo' não deve enganar-nos neste contexto porque foi adotado nos tempos mais recuados…[29]
Foi só depois da morte de Boltzmann, na primeira década do século XX, que a teoria atômica prevaleceu. Neste processo houve importantes mudanças na física. No ano de 1905, Albert Einstein derivou da teoria cinética do calor que os movimentos de moléculas em líquidos devem resultar em movimentos de partículas suspensas visíveis ao microscópio. Einstein presumiu que estes movimentos são idênticos ao movimento browniano.[30] Um ano mais tarde, Marian Smoluchowski chegou a um resultado semelhante.[31] Pouco depois, Jean Baptiste Perrin confirmou experimentalmente as profecias de Einstein:
Assim a teoria molecular do movimento browniano pode ser considerado como confirmada, e sera muito difícil contestar a existência objetiva de moléculas.[32]
O descobrimento, no ano de 1912, da difração de raios X em cristais por Max von Laue foi uma prova experimental direta do arranjo de átomos em cristais. Os ensinamentos dos defensores da teoria energética foram esquecidos e hoje são consideradas um capricho da história.
Boltzmann designou a mecânica clássica, que na época, graças às contribuições de Newton, Euler, Lagrange, Hamilton e muitos outros já estava em um nível de desenvolvimento muito alto, como fundamento de todas as ciências naturais.[33] Muitas vezes analisou questões da mecânica clássica e aplicou sua maestria na mecânica a outros patamares da física. Isso é visível particularmente nas suas investigações na eletrodinâmica. A teoria do eletromagnetismo, desenvolvida, nos anos 1860, por James Clerk Maxwell, ofereceu uma base comum às investigações da eletricidade, do magnetismo e da óptica, ramos da física que na época eram considerados independentes um do outro. Boltzmann teve uma participação substancial na propagação das obras de Maxwell na Europa continental.