Đầu năm 2002, nữ ca sĩ lần đầu tiên phát hiện ra mình có một khối u lành tính ở cổ tử cung và được các bác sĩ khuyên nên nghỉ ngơi để theo dõi và hẹn tái khám, kiểm tra sức khỏe định kỳ. Thế nhưng, là người hết mình vì công việc, hơn nữa không vướng bận chuyện gia đình nên Mai Diễm Phương càng quay cuồng trong công việc. Cô thậm chí không có thời gian nghỉ ngơi để điều trị căn bệnh của mình. Đến đầu năm 2003, khối u lành tính đã phát triển thành ác tính, Mai Diễm Phương phát hiện mắc bệnh ung thư cổ tử cung.
Tháng 8/2003, bệnh tình của Mai Diễm Phương bắt đầu chuyển biến xấu phải nhập viện. Đến tháng 9/2003, sau gần 2 năm giấu kín bệnh tình, Mai Diễm Phương mới quyết định chia sẻ về căn bệnh ung thư cổ tử cung mà bản thân đang mắc phải với người hâm mộ của mình.
Được biết, chị gái của Mai Diễm Phương qua đời năm 2000 cũng vì bị ung thư buồng trứng sau quãng thời gian điều trị kéo dài 15 năm. Vậy nên nữ danh ca hy vọng bản thân vẫn còn được sống một thời gian nữa, còn kịp sinh con dù đã mắc phải căn bệnh hiểm nghèo. Đến tận khi sắp từ giã cõi đời, Mai Diễm Phương vẫn khao khát được mặc áo cô dâu và không bao giờ tin mình sẽ chết.
Trước những lời động viên của người thân, bạn bè và đồng nghiệp, cô quả quyết khi muốn thực hiện buổi hòa nhạc cuối của mình: "Tôi nhất định sẽ thắng trận chiến này" và bày tỏ mong muốn "kết hôn với sân khấu" của mình. Không ngờ sau khi hát xong ca khúc cuối cùng "Tịch Dương Chi Ca", cô đã kiệt sức và ngã trong vòng tay Lưu Đức Hoa.
Mai Diễm Phương kiệt sức ngã xuống sau khi hát bài hát cuối cùng, Lưu Đức Hoa chạy đến ôm chầm lấy cô và khóc.
Khi tình trạng bệnh ngày càng trầm trọng, sức khỏe giảm sút, cô vẫn nhất quyết tổ chức một buổi hòa nhạc cuối. Cô mặc chiếc váy cưới do John Galliano (Giám dốc sáng tạo của Dior giai đoạn 1997-2011) thiết kế tại buổi hòa nhạc, thỏa ước nguyện "kết hôn với sân khấu".
Mai Diễm Phương gắng gượng nén đau đớn hát hết bài hát này đến bài hát khác trên sân khấu, lúc đó người hâm mộ không biết rằng cơ thể của cô ấy có điều gì đó không ổn. Họ cũng không biết rằng Mai Diễm Phương đã bị chảy máu liên tục khi cô ấy biểu diễn hết mình. Lưu Đức Hoa biết chuyện gì đã xảy ra những vẫn phải cố nén cảm xúc nghẹn ngào trong lòng và đứng nhìn ở cánh gà. Vì anh biết Mai Diễm Phương đã chủ động không nói với người hâm mộ của mình về tình hình cho đến khi cô ấy hát bài hát cuối cùng.
Hóa ra để duy trì hình ảnh tốt đẹp của mình trong lòng người hâm mộ, Mai Diễm Phương bất đắc dĩ đội tóc giả và hát trong khi đang quấn tã. Sau khi hát xong bài hát cuối cùng, Mai Diễm Phương kiệt sức và ngã quỵ, Lưu Đức Hoa chạy đến ôm cô khóc nức nở. Đột nhiên, trên sân khấu truyền đến một tràng tiếng khóc. Có thông tin cho rằng một số khán giả ở khu vực sát sân khấu đã nhìn thấy chiếc tã dưới váy của Mai Diễm Phương thấm đẫm máu.
Sau buổi hòa nhạc, Mai Diễm Phương vẫn đến Nhật Bản để quay một quảng cáo làm đẹp, và sau đó, dưới sự thuyết phục mạnh mẽ của bạn bè và các bác sĩ, cô đã từ bỏ bộ phim "Thập Diện Mai Phục" của đạo diễn Trương Nghệ Mưu. Vào lúc rạng sáng ngày 30 tháng 12 năm 2003 trước khi chuông báo mừng năm mới 2004, Mai Diễm Phương đã qua đời vì suy phổi do tế bào ung thư di căn. Theo truyền thông, Mai Diễm Phương đã sống một cuộc đời ngắn ngủi nhưng vô cùng lộng lẫy; như đóa hoa phù dung rực rỡ, sớm nở tối tàn, như ánh sao mai vụt sáng rồi tàn lụi.