18 февраля 1945 года в концлагере Маутхаузен Карбышев был убит: фашисты облили его водой на морозе. Он погиб, не предав Родину.
16 августа 1946 года Указом Президиума Верховного Совета СССР ему было посмертно присвоено звание Героя Советского Союза.
Карбышев награждён орденами Ленина, Красного Знамени, Красной Звезды и многими наградами Российской империи.
Его именем названы улицы, школы, мемориалы, малая планета и теплоход. В Советском районе Казани — улица и одноименный сквер с мемориальным камнем Д. Н. Карбышеву. Памятники генералу есть в Москве, Омске, Тюмени, Гродно, Киеве и других городах.