Нягледзячы на ўсе намаганні лекараў, знахароў і нават чарадзеек, здароўе пагаршалася. Падазравалі, што Барбару атруцілі па намове каралевы Боны. Няшчасны Жыгімонт Аўгуст, верачы ў выздараўленне каханай, дзень і ноч праводзіў каля яе. Перад смерцю Барбара суцяшала мужа і прасіла яго ажаніцца, каб прадоўжыць род Ягелонаў. 8 мая 1551 года на вачах у Жыгімонта Аўгуста Барбара памерла. Выконваючы яе просьбу, кароль пахаваў Барбару ў Вільні. Да канца свайго жыцця ён насіў жалобу па сваёй каханай. У яе гонар ён пабудаваў у Вільні касцёл Святой Ганны і Барбары і завяшчаў пахаваць сябе ў ім побач з Барбарай, каб смерць зноў злучыла іх у вечнасці.