В конце 2009 года Анна вместе с сестрой собралась ехать отдыхать на Гоа. В турагентстве, куда она пришла за путевкой, вдруг почувствовала сильную боль в животе. Скорая помощь отвезла актрису в больницу, там ей поставили страшный диагноз — рак желудка в последней стадии. По мнению врачей, болезнь могли спровоцировать диеты, которыми увлекалась актриса, сильные стрессы и курение: она очень много курила.

Родных предупредили, что жить ей осталось совсем недолго. Врачи пытались сделать все возможное, назначили химеотерапию. Анна общалась только с самыми близкими, она не хотела, чтобы кто-то видел ее в таком состоянии. Последние месяцы Анна провела в хосписе. Сотрудники хосписа рассказывали, что макияж Самохиной всегда был безупречен, даже в самые тяжелые для актрисы дни она старалась выглядеть красивой.

Умерла актриса 8 февраля 2010 года, ее могила находится на Смоленском кладбище в Санкт-Петербурге. В момент, когда стали опускать гроб с телом Анны Самохиной, зазвучали аплодисменты — так близкие и поклонники отдали дань памяти самой красивой женщине российского кино.