Autograph des Endes der unvollendeten letzten Fuge aus der Kunst der Fuge mit C. Ph. E. Bachs Zusatz: „NB ueber dieser Fuge, wo der Nahme BACH im Contrasubject angebracht worden, ist der Verfaßer gestorben.“

In den 1740er Jahren scheint sich Bach weitgehend von Neukompositionen für die Kirche und für das Collegium musicum zurückgezogen haben. Im Mai 1747 besuchte er auf Einladung Friedrichs des Großen, in dessen Hofkapelle Carl Philipp Emanuel Bach angestellt war, Potsdam und Berlin und improvisierte auf den dortigen Pianoforti und Orgeln. Er versprach, ein ihm vom König vorgegebenes Thema in einer Fuge auszuführen und in Kupfer zu stechen. Aus diesem Versprechen wurde das Musikalische Opfer, eine Sammlung von zwei Fugen (drei- und sechsstimmig), zehn Kanons und einer Triosonate, alle über das gleiche Thema. Eine Bezahlung für seine Komposition erhielt er vom König allerdings nicht.

Einige canonische Verænderungen über das Weynacht-Lied: Vom Himmel hoch da komme ich her vor die Orgel mit 2. Clavieren und dem Pedal lautet der Titel eines Variationenwerkes, das Bach zu seinem Eintritt 1747 in die von Lorenz Christoph Mizler gegründete Correspondierende Societæt der musikalischen Wissenschaften einreichte. Es gilt als bedeutendes kontrapunktisches Spätwerk Bachs. Ein weiterer kontrapunktischer Werkzyklus ist die Kunst der Fuge, deren erste Reinschrift Bach 1742 abschloss, die er aber danach bis 1749 umfassend ergänzte und überarbeitete. Die Sammlung von einfachen Fugen, Gegenfugen, Spiegelfugen, Fugen mit mehreren Themen und Kanons stellt ein Kompendium der Techniken der Fugenkomposition dar. Ebenfalls in Bachs letzte Jahre fällt die Vollendung der h-Moll-Messe unter Verwendung der Missa von 1733, des Sanctus von 1724 und anderer älterer Kompositionen. Johann Nikolaus Forkel berichtete, dass Bach auf seinem Sterbebett den letzten Choral Vor deinen Thron tret ich hiermit (BWV 668) seinem Schüler und Schwiegersohn Johann Christoph Altnickol diktiert habe

In seinen letzten Jahren litt Bach an einer Augenkrankheit. Auch über motorische Störungen im rechten Arm und damit in der Schreibhand wird berichtet. Ab 1749 sind keine eigenhändigen Schriftstücke von ihm mehr erhalten. Die letzte bekannte Unterschrift stammt vom 6. Mai 1749. Seine Frau Anna Magdalena oder sein Sohn Johann Christian unterschrieben für ihn seitdem alle Dokumente. Das von Natur aus schlechte Sehvermögen ließ so stark nach, dass sich Bach von dem schon damals umstrittenen Okulisten (Starstecher) John Taylor operieren ließ, der vom 4. bis zum 7. April 1750 in Leipzig weilte. Komplikationen erforderten eine Nachoperation. Kurzzeitig konnte Bach wieder sehen, ihn traf aber einige Tage vor seinem Tod ein Schlaganfall. Bach starb am 28. Juli 1750. Im hauptsächlich von Carl Philipp Emanuel Bach und Johann Friedrich Agricola verfassten, 1751 fertiggestellten und 1754 veröffentlichten Nekrolog heißt es zu Bachs Krankheit und Tod:

„Sein von Natur etwas blödes Gesicht [d.h: „schwaches Sehvermögen“], welches durch seinen unerhörten Eifer in seinem Studiren […] noch mehr geschwächet worden, brachte ihm, in seinen letzten Jahren, eine Augenkrankheit zu Wege. Er wolte dieselbe […] durch eine Operation heben lassen. Doch diese […] lief sehr schlecht ab. Er konnte nicht nur sein Gesicht nicht wieder brauchen: sondern sein, im übrigen gesunder Cörper, wurde auch zugleich dadurch, und durch hinzugefügte schädliche Medicamente, und Nebendinge, gäntzlich über den Haufen geworfen: so daß er darauf ein völliges halbes Jahr lang, fast immer kränklich war. Zehn Tage vor seinem Tod schien es sich gähling mit seinen Augen zu bessern; so daß er einsmals des Morgens ganz gut wieder sehen, und auch das Licht wieder vertragen konnte. Allein wenige Stunden darauf, wurde er von einem Schlagflusse überfallen; auf diesen erfolgte ein hitziges Fieber, an welchem er […] am 28. Julius 1750, des Abends nach einem Viertel auf 9 Uhr, im sechs und sechzigsten Jahre seines Alters, auf das Verdienst seines Erlösers sanft und seelig verschied.“

Die neuere Bachforschung hält es allerdings auch für möglich, dass eine zunehmende Zuckererkrankung die Ursache für Bachs nachlassendes Sehvermögen und den Schlaganfall war.Nach zweimaliger Umbettung befindet sich sein Grab heute in der Leipziger Thomaskirche.