七月初，聂军与联军交战时，义和团到聂家抓害聂士成的母亲、妻子及女儿，聂士成派兵追赶，而其部下有一营新军其中有很多士兵与义和团串通，大叫聂军造反并开枪射击聂军，使聂士成腹背受敌，身中数弹。七月九日，聂士成在城西八里台中炮阵亡。义和团本要戮聂尸，因联军追至才幸免，后来德军扯来一条红毯子，盖在聂士成破碎的身体上。并让士兵把聂士成的遗体交还给清军。
聂士成阵亡后，清廷朝议赐恤，载漪、刚毅力阻，后来清廷下诏称聂士成“误国丧身，实堪痛恨，姑念前功，准予恤典”。
应聂士成故旧周馥等人请求，1902年（光绪二十八年）二月，署理直隶总督兼北洋大臣袁世凯代为聂士成请恤，称其“秉性忠贞，践履纯笃，事亲极孝，居官极廉。驭众严而有恩，遇事勇而有断，沉毅果敢，威望绝伦。” 朝廷上谕以聂士成追赠太子少保，著照提督阵亡例赐恤，加恩予谥，谥号忠节。生平战功事迹及死事本末，宣付国史馆立传。并准于立功省份、死事地方及及原籍芦台、天津、合肥建立专祠。建立专祠。聂士成阵亡后，其灵柩由部属护送回安徽原籍安葬。1911年（宣统三年），聂士成次子聂宪藩为其改葬于宣城。
个人著作
聂士成虽是武将，但也粗通文墨，颇通史书，为人礼贤下士，较之于当时同级别的清军将领，具有较高的文化修养。从《东游纪程》的记载来看，聂士成曾读过《史记》、《汉书》、《唐书》和薛福成的《出使日记》。有《东游纪程》、《东征日记》及诗文数篇传世。
历史评价
文廷式：“淮军一聂士成，津人一曹克忠，号称能战，于诸将中为优。”
黄遵宪：“天苍苍，野茫茫，八里台作战场，赤日行空尘沙黄。一弹掠肩血滂滂，一弹洞胸胸流肠，将军危坐死不僵。聂将军名高天下闻，虬髯虎眉面色赭，河溯将帅无人不爱君。”
袁世凯：“该提督秉性忠贞，践履纯笃，事亲极孝，居官极廉，驭众严而有恩，遇事勇而有断，沉毅果敢，威重绝伦。”“前岁拳匪事起，环球震动，仓促用兵，以身殉难，迹其苦战授命，武臣中实惟该故提督一人。”
陈左高：“清代武将工翰墨，而有日记传世者推聂士成。”
蔡东藩：“聂、马二军门，良将也，以仇匪而致败，聂且甘心殉难。”
《清史稿》：“联军之占津、海也，长驱而入，唯士成阻之；俄兵之侵龙江也，乘隙以进，唯寿山拒之：固知必不能敌，誓以一死报耳。”
据八国联军随军记者记载，“华军虽众，皆不足虑，所可畏者，聂军门所部耳；盖聂军有进无退，每为各军之先；虽受枪炮，前者毙，后者又进，其猛处诚有非他军所可比拟者”，又称聂军“所带军械均系极佳之毛瑟快枪，并有极好炮队，该兵士即将新式各炮安置于天津城内炮台上……租界房屋无一处不被击毁者……自与中国交兵以来，从未遇此勇悍之军。”
后世纪念
1905年清政府立碑纪念，花岗石砌筑基座，高2.4米，位于天津八里台以南（今天津市南开区紫金山路与卫津南路交叉口）。谥号“忠节”。高2.4米。碑正面刻“聂忠节公殉难处”，两侧立柱上刻“勇烈贯长虹，想当年马革裹尸，一片丹心忍作怒涛飞海上；精诚留碧血，看今日虫沙历劫，三军白骨悲歌乐府战城南”，横额为“生气凛然”。
1984年复立时，碑文仅留“聂忠节公殉难处”七字。
2000年是其为国捐躯100周年，天津市政府在原聂公碑所在地建了一个高4.18米的聂士成铜像以示缅怀，镌刻：将军驱骑刀光寒，一跃桥头此生瞻。聂公当年激扬处，多少青松配雨寒。
