1941年8月4日，一队日军战斗机飞到延安上空。
日军飞机这次轰炸的目标是中共中央机关和中央领导人。飞机在空中盘旋了一阵后，炸弹如雨点般地往下倾泻。不一会，一颗炸弹落在林育英的窑洞门口爆炸，窑洞被震得天摇地动。巨大的爆炸声，使林育英的大脑、心脏受到刺激。他的病急剧恶化。
随后，他的身体出现水肿。他的秘书、警卫员及妻子涂俊民见他生命垂危，连忙将他送往延安中央医院抢救。延安名医何穆对他的病情进行了彻底检查，结论是：心脏大了3倍，肝脏扩大，还有肺水肿，肾脏亦有毛病。
毛泽东得悉后，指示中央医院全力抢救。经过何穆、金茂岳等名医一段时间的悉心治疗，林育英的病才稍有好转。
他是一个闲不住的人。他躺在床上，时常回想自己参加革命的艰难历程和党内复杂的斗争，十分怀念指引他走上革命道路的堂弟林育南和战友恽代英、李求实等，一股对王明的愤恨之情油然而生。一天，他与一同住院的原一二○师政委关向应谈起王明把持中央领导权期间，残酷打击迫害为党的事业作过很大贡献、又有很高马克思主义理论水平和丰富斗争经验的重要领导干部林育南、何孟雄、李求实等人的情况，激起关向应的同情与关注。
他们决定一起向中共中央和毛泽东上书，建议中央重新给林育南、何孟雄、李求实等人作政治结论，肯定他们勇于与王明作斗争的英雄业绩。
很可惜，他的这项工作刚刚开始，病情又突然恶化。
林育英感到：自己已经不行了。
1942年2月，林育英得知林彪已从苏联回到西安，心里很高兴。此时，林育英很思念林彪，希望能与他见一面。
恰在这时，林育英的一位老部下因事要去西安。他临出发前，来看望林育英。林育英得知他马上要到西安去，拉着他的手说：“麻烦你带个口信给我的堂弟林彪，我快不行了，希望他早日回延安，我想与他见见面，对他说几句心里话。”
这位老部下到西安后，马上将林育英的口信转给了林彪。林彪得知堂哥的病情很重，决定提前离开西安。
2月14日，林彪乘坐西安八路军办事处的一辆卡车回到延安。他匆匆吃过中饭，先到延安交际处看望了老父亲林明卿后，连忙去看林育英。林彪走进窑洞，见躺在床上的堂哥已面目全非，喊了一句“八哥”，泪水便夺眶而出。
林育英望着难过的林彪，也不知说什么好。
沉默一阵后，林彪仔细询问了林育英的病情和治疗情况。
林育英说：“党中央和毛主席对我的病情很关心，而且尽了最大的努力。只是我的病太重……”
“八哥，”林彪轻声地说，“你要坚强些，也许你的病会好的。”
林育英艰难地摇头，表示好不了。他们谈了一阵，医生查病来了。
林育英见时间不早，对林彪说：“育容啊，今天见到你，我有几句话要说，也算是我的嘱咐，你要好好记住。”
林彪点头道：“你讲吧。”
林育英说：“我们林家三兄弟参加革命最早的是育南，最早去世的也是育南，他实际是受王明迫害而死的。他蒙冤而逝，死得太可惜，我总惦记着这件事。近来，我与关向应同志多次谈过这件事，也向毛主席及其他中央领导人反映过，希望党中央对他和何孟雄、李求实等同志的问题重新作个结论。党中央已经在考虑这个问题。你回来了，要把这件事与中央的其他领导同志再谈谈。育南是我党最早的一批党员，才华横溢，能文能武，很了不起。在那非常时期，发现并勇敢地站出来反对王明路线，没有非凡的胆略和智慧，是做不到的。而且他反对王明路线，既不是为了个人，也不是争权夺利，而是为了党的事业。他还是我和你的革命引路人。他的冤屈，不是他个人的问题，关系到党的路线和大是大非问题。我们如不为他说句公道话，对不起党，也对不起他。”
林彪说：“这件事我记住了。”
林育英又说：“我活不了多久，尽管革命的路还很长，相信胜利终归我们共产党人，遗憾的是，我看不到那一天。我们林家三兄弟能看到革命胜利的只有你了。你还很年轻，有很好的前途。但是，任何人的前途，既要靠党的培养，又要靠自己努力。毛主席多次与我谈到过你，说你很有军事才干，对你寄予很大的希望。我在苏联时，看过俄国革命民主主义者、著名文学批评家和思想家车尔尼雪夫斯基的一篇评论文章，其中有一段写得极其精彩，至今令人难忘。他说：历史活动不是涅瓦大街的人行道……历史道路铺展在原野之上，时而尘土弥漫，时而肮脏不堪，时而越过泥潭，时而穿过人烟绝迹的密林。谁害怕尘土沾身，弄脏皮靴，谁就不必去从事社会活动。我希望你也记住这段话，努力学习马克思主义，坚定革命信念，在党中央和毛主席的领导下，将革命进行到底。”
林彪点点头，表示记着了。
这一天，林彪在林育英的窑洞一直呆到很晚才离开
1942年2月下旬，林育英的病一天比一天重。
3月5日，林育英用微弱的声音将警卫员、秘书及妻子涂俊民叫到身边说：“我不行了，革命20年如一日，未能看到胜利的那一天，深以为憾。我虽未为我们的党和革命事业作出很大的贡献，但尽了力。我死后，请组织上将我葬在杨家岭对面的青年文化沟——桃花岭上，使我能天天望着党中央、毛主席！”
3月6日凌晨1点15分，林育英在延安中央医院逝世。