В 1928 году наступило ухудшение здоровья, участились сердечные приступы, и в середине сентября 1928 года он слёг в постель. Перед кончиной часто приобщался Святых Таин.
Был погребён в Ярославле в подвальном этаже храма святителя Леонтия Ростовского. Владыку похоронили только на седьмой день после кончины, но, по воспоминаниям очевидца, «никакого трупного запаха не ощущалось нисколько, напротив: по временам веяло от гроба каким-то благоуханием». На надгробной плите начертали надпись «Великий святитель Агафангел». Ныне рака с его мощами покоится в Казанском соборе Казанского женского монастыря в Ярославле.
Был прославлен как священноисповедник в лике святых новомучеников и исповедников Церкви Русской на Юбилейном Архиерейском соборе Русской православной церкви в августе 2000 года для общецерковного почитания.
