1949年4月12日抱病代表中共中央向新民主主义青年团第一次全国代表大会作政治报告，并被推举为团中央委员会名誉主席；月中，开始在北平西郊玉泉山休养。
1949年5月8日出现昏迷症状，经医生诊断，脑部血管已有器质性变化，眼底有小的出血点。
任弼时的身体状况一直不好，中共中央刚进北平，就于1949年4月18日作出决定：任弼时必须休息。决定当天，他就在医生陪同下，住进了玉泉山休养所。5月，休养中的任弼时病情不仅没有好转，反而趋向恶化，出现前所未有的昏迷症状。正因为如此，10月1日新中国成立的开国大典，他没能登上天安门城楼，而只好在玉泉山通过收音机来听隆重盛典的实况转播。
斯大林了解到任弼时的病情后，主动派了一个苏联医疗专家组到中国。苏联医疗专家们为任弼时做了认真的检查。在会诊的报告上，苏联医疗专家们写道:“……严重的高血压症，脑血管有明显硬化之症，心脏初期机能障碍，肾初期硬化，肝脏肥大，可能引起新陈代谢障碍;并有糖尿病，但尚不严重……”因此，专家们建议任弼时到苏联进行治疗。任弼时于1949年12月初抵达莫斯科，先是在克里姆林宫医院，经过了20多天的治疗后，转往巴拉维赫疗养院疗养。到1950年春季，任弼时的健康已经恢复得相当不错。
身为中共五大书记之一的任弼时，在新中国成立前后，当别的领导人政务纷繁、旰食宵衣之际，自己却始终作为一个病号，成天与医生和药剂打交道，涉足范围不出病房和疗养院，内心十分苦恼。所以当他病情有所好转，便急切地要求回到祖国，与战友们一起分担繁忙的政务。
5月，克里姆林宫医院再次为任弼时做了全面检查，认为他在苏联的医治和疗养已显成效，可以回国适量地参与工作。5月28日，任弼时从苏联回到北京，他带回了克里姆林宫医院的体检报告。当时主管中央保健委员会的傅连璋看了苏方的体检报告后，随即给毛泽东及中共中央拟写了一份有关任弼时病情的报告。
回国恢复工作后，忙碌的工作使病情加剧，终于不治
在初回国后的一段时间，任弼时遵照医生建议，每天只是在家“练习工作”，不过2～4小时。然而，眼见新中国诞生初期纷繁的工作头绪，战争、经济、内政、外交，各位领袖都比建国前更为忙碌的情景;特别是6月25日，朝鲜战争爆发两天后，美国的第七舰队进入台湾海峡，远东局势骤然紧张，任弼时再也无法安于自己置身事外的休养状态，马上给毛泽东和中共中央写了一封信，要求分担中央的部分工作。毛泽东见任弼时信后，即作批示:同意任弼时意见，试做工作，每日不超过4小时，主管组织部和青委。
恢复工作后的任弼时，就根本无法把自己的工作时间限制在4小时内，结果不久就又出现身体不适。9月、10月，是原定的休假时间，可当保健大夫们催促他休假时，他却提出等到12月再说。保健大夫们也奈何不得，只好依着他。这一年的10月1日，他还登上了天安门城楼，与其他四位中央书记毛泽东、刘少奇、朱德、周恩来一起，检阅了三军将士及数十万游行群众，这使他未能参加开国大典的遗憾得到补偿。
朝鲜战争爆发后，就是否出兵援朝问题，中共中央接连开会商议相关事宜，有时议题一说开就延续至次日凌晨。任弼时也出席了会议，而且不顾有关部门和保健大夫到睡眠时间就退席的约束，也参与议事拖到午夜。这样一来，他的身体再度受到严重伤害，潜伏下病情骤然加剧。
就在中国人民志愿军入朝后第一战役打响的前一天，任弼时白天工作了一天。晚上，他召集有关人员谈论即将召开的全国组织工作会议事宜。入夜以后，他又翻看起秘书拿来的毛泽东有关作战部署的电报。这一夜，他没能休息好，加之近一个时期的过度操劳和费神，使他次日拂晓即感到头疼和不适。
10月25日早晨五六点钟的时候，住在保健委员会值班的力伯畏，突然听到电话铃响。电话是任弼时夫人陈琮英打来的，说任弼时今晨情况不太好。陈琮英打电话时，任弼时还没出现特别严重的症状，类似早晨起床后感到头疼不适的情况以前也出现过，力伯畏放下电话同傅连璋打了个招呼，就立即骑上自行车，赶往任弼时家。
“我进屋看见任弼时，他还朝我抬了一下手，我想他是和我打招呼。可是他的手臂刚抬起来，马上就掉下来了，继而话也说不出来了。我知道他的老毛病就是高血压，就赶紧给他量血压，发现他的血压很高。我立即通过电话向傅连璋汇报，傅连璋马上就赶来了。”力伯畏回忆道。
傅连璋发现情况严重，马上请陪任弼时来华的苏联专家过来，同时邀请了几位中国的著名专家前来会诊。他们在任弼时的家中展开了抢救。
随着抢救时间的延续，医生们感觉到任弼时的生命已处于非常危险的状态。傅连璋遂向毛泽东和中共中央发出了任弼时病危的通报。通报说:“任弼时同志今早7时发生中风现象，右半身瘫痪（即半身不遂），失语，血压230，脉搏100，大汗，病情严重……”
通报发出后，获悉此讯的一些在北京的中共领导人，来到任弼时家看望。来得最早的是北京市委书记彭真，因为有公务在身，他了解了抢救的情况后，又匆匆离去。他走时对力伯畏说:“有新情况马上告我啊。”
在当时的医疗技术和设备条件下，虽然苏联专家和中国的专家们尽了自己的最大努力，还是未能将任弼时从死亡线上拯救回来。