فاطمه تنها هفده روز در قم زنده ماند و در سن ۲۸ سالگی، در حالی که هنوز ازدواج نکرده بود درگذشت. پیکر او را در جایی که آن زمان به باغ بابلان مشهور بود به خاک سپردند که هم‌اکنون زیارتگاهی مشهور به حرم فاطمه معصومه است. پس از به پایان رسیدن مراسم دفن، موسی بن الخزرج سایبانی از بوریا بر قبر او ساخت و این سایبان بر قرار بود تا زمانی که زینب دختر محمد بن علی جواد (امام نهم شیعه)، بر آن گنبدی بنا کرد. در زمان تولیت سید محمد باقر متولی باشی (متوفی ۱۳۵۹ قمری) بر حرم فاطمه معصومه، وی اعلام می‌کند: «که اگر کسی تاریخ ولادت یا وفات حضرت فاطمه معصومه را پیدا کند، دستور می‌دهم که در آن روزها بازار قم را تعطیل کنند.» فردی که به عدم صدق معروف بوده ادعا می‌کند که در کتاب لواقح الانوار که در کتابخانهٔ مدینه است این تاریخ ذکر شده‌است. متولی باشی گفته وی را قبول نمی‌کند و می‌گوید: «من با متولی کتابخانه مدینه آشنا هستم؛ و از وی خواهم خواست که آن کتاب را بدهد و ما اینجا چاپ کنیم.» آن فرد به صرافت می‌افتد و بدین شکل دروغش آشکار می‌شود.اما تاریخ ولادت او بعدها به دلیل آگاه نبودن مؤلف کتاب «مستدرک سفینه البحار» در آنجا آمده‌است. البته مؤلف با حساب کردن آنکه موسی بن جعفر در سال ۱۸۳ در زندان بوده‌اند به زعم خود این عدد را ناشی از اشتباه افواه دانسته و آن را ده سال عقب کشیده و در کتاب خود تاریخ تولد را روز ۱ ذیقعده سال ۱۷۳ قید کرده‌است.
