У вересні 1534 року Мікеланджело, вже добре знаний як скульптор і художник, вдруге переїхав до Риму, знову вимушено залишивши Флоренцію, на цей раз — через побоюваня помсти за підтримку республіки з боку тиранічного герцога Алессандро де Медічі. Незавершеними залишились меморіальна каплиця родини Медічі і Лаврентійська бібліотека в базиліці Сан-Лоренцо, у майстерні, серед іншого, — чотири скульптури під загальною назвою «Раби» для усипальні папи Юлія II. Самотній і невибагливий, 61-літній Мікеланджело оселився в скромному будинку поблизу церкви Санта-Марія-ді-Лорето: дві спальні на другому поверсі з набитими соломою матрацами на залізних ліжках, майстерня, їдальня, кухня — на першому.
Дорікати симпатіями до республіканців папа Климент VII не став і ще до своєї смерті через кілька тижнів замовив Мікеланджело фреску Страшного суду на вівтарній стіні Сикстинської капели у Ватикані. Робота зайняла сім років і викликала багато нарікань через порушення звичних умовностей у зображенні Ісуса Христа і діви Марії. Двом папам вдавалось відстояти фреску у її оригінальному вигляді, однак у січні 1564 року конгрегація Трентського собору постановила перемалювати надто відверті сцени.
Півроку перед тим Мікеланджело відхилив пропозицію Козімо Медічі повернутись до Флоренції, щоб зайняти почесне місце у правлінні створеної герцогом Академії мистецтва малювання: йому досить плідно працювалось у Римі. Крім розписаної стіни Сикстинської капели були ще дві великі фрески у каплиці Паоліні в папському палаці та чимало архітектурних проектів — масштабне перепланування Капітолійського пагорба, добудова палацу Фарнезе, оновлення базиліки Санта Марія дель Анджелі і міська брама Порта Піа в Авреліановому мурі. За кресленнями Мікеланджело будувались каплиця родини Сфорца в Римі, гробниці короля Генріха II Валуа в Сен-Дені і кондотьєра Джан Джакомо Медічі в Мілані.
Однак чи не найбільший проект в його житті — базиліка Святого Петра, — за який Мікеланджело взявся в 1546 році, завершити не вдалось: у грудні 1563 року, коли саме розпочалось зведення купола, який дехто ввжає чи не найбільшим архітектурним символом епохи Відродження, у нього почався сильний жар. Мікеланджело прохворів практично усю зиму. У січні він з прикрістю дізнався про намір перемалювати «непристойні частини» його «Страшного суду», 13 лютого, коли востаннє ще здужав працювати у майстерні, попросив викликати до Риму свого племінника Ліонардо, єдиного зі ще живих близьких родичів.
Останні дні Мікеланджело провів у ліжку «темної гробниці», як він називав свій дім, з якого за тридцять років так і не перебрався у більш пристойне помешкання. Поруч було лише кілька вірних людей, серед них — Томмазо деі Кавальєрі, римський аристократ, який кілька десятиліть був об'єктом платонічної пристрасті Мікеланджело, його музою для трьох десятків сонетів і мадригалів (із загалом трьохсот віршів) та творів візуального мистецтва. Висповідатись Мікеланджело не захотів, продиктував лаконічний заповіт — «Віддаю душу Богу, тіло землі, майно рідним», і попросив слугу читати йому «Страсті Христові», слухаючи які помер 18 лютого 1564 року, в першу п'ятницю Великого посту саме коли почало сідати сонце, за два тижні до свого 89-ліття.
Друг Мікеланджело і куратор його багатьох римських проектів Даніеле да Вольтерра зробив посмертну маску майстра.
У складеному наступного дня описі майна Мікеланджело значились лише незавершена п'єта Ронданіні, дві невеликі скульптури «Святий Петро» та «Христос, що несе хрест», кілька ескізів.
Поховали Мікеланджело у місцевій церкві св. Апостолів на площі Колона після скромної церемонії, організованої флорентійським земляцтвом. Його племінник Ліонардо Буонарроті прибув до Риму лише 24 лютого. Він залагодив справи зі спадщиною і за дорученням герцога Козімо Медічі, який «бажав належно вшанувати [Мікеланджело] після смерті, якщо вже не вдалось це зробити за життя», викрав труну з тілом свого дядька, замаскував її серед тюків з товаром і 10 березня таємно привіз до Флоренції.
Через два дні понад три десятки художників урочисто пронесли тіло Мікеланджело від ратуші до церкви Санта-Кроче, де лишили у ризниці на п'ять місяців, доки йшла підготовка до офіційних похорон. Вони пройшли 14 липня 1564 року у найбільшій церкві Флоренції, як свідчать очевидці, з князівським розмахом: задрапіровані чорними портьєрами стіни базиліки Сан-Лоренцо прикрашали кілька десятків картин зі сценами з життя Мікеланджело, над труною, що лежала на розкішному катафалку, задекорованому скульптурами, письменник і поет Бенедетто Варкі прочитав складену ним ораторію-похвалу «заслугам, життю і творам божественного Мікеланджело Буонарроті».
Вдруге Мікелажело поховали в церкві Санта-Кроче, у ще незавершеній монументальній гробниці. Коштом Козімо Медічі і Ліонардо Буонаротті над нею 14 років працював Джорджо Вазарі, нині більш відомий як історик, котрому ми завдячуємо і терміном «Ренесанс» у його мистецькому значенні, і однією з двох прижиттєвих біографій Мікеланджело, людини, яка ще за життя стала легендою і уособленням цієї епохи культурного відродження Європи.