Le 8 août 2001, un mois avant la diffusion de L'Aîné des Ferchaux, et alors qu'il se trouve en vacances en Corse chez son ami Guy Bedos à Lumio, près de Calvi, Belmondo est victime d'un accident vasculaire cérébral. Il est héliporté d'urgence à l'hôpital de Falconaja à Bastia. Bien que son état soit jugé sérieux (un caillot ayant entraîné notamment une paralysie faciale du côté droit), il est transféré dans la soirée vers l'hôpital Saint-Joseph de Paris. Son accident de santé, qui le tient ensuite éloigné des plateaux comme des planches, est suivi d'une longue rééducation. L'adaptation pour la télévision du roman Le Lion de Joseph Kessel qu'il envisageait de tourner est finalement interprétée par Alain Delon.
En avril 2007, il est promu commandeur dans l'ordre national de la Légion d'honneur.
Il retrouve en 2008, après sept ans d'absence, les plateaux de cinéma pour tourner, sous la direction de Francis Huster, Un homme et son chien. Ce remake de Umberto D. de Vittorio De Sica est un drame dans lequel il incarne un homme qui se retrouve du jour au lendemain à la rue. Le film n'est cependant pas un succès public.
En 2011, lors du festival de Cannes, il reçoit une Palme d'honneur pour l'ensemble de sa carrière. Il apparaît au festival accompagné de Barbara Gandolfi. Un documentaire lui est consacré à cette occasion, Belmondo, itinéraire..., avec une diffusion simultanée sur France 2 et sur la Croisette.
Le 19 juin 2012, à Bruxelles, c'est pour l'ensemble de sa carrière qu'il reçoit la médaille de chevalier de l'ordre de Léopold en même temps qu'un Coq de Cristal.
Claude Lelouch annonce en juillet 2012 le retour de l'acteur dans son prochain film Les Bandits manchots, projet qui n'a pas abouti.
Le 14 octobre 2013, un hommage est rendu à l'acteur lors de l'ouverture du cinquième Festival Lumière de Lyon, avec la projection du film Un singe en hiver. L'acteur, accompagné de son fils Paul, est ovationné par environ quatre mille cinq cents spectateurs ainsi que par les invités comme Quentin Tarantino, Jean Rochefort, Pierre Richard, Jean-Pierre Marielle, Charles Gérard, Bertrand Tavernier.
Le 9 février 2015, Jean-Paul Belmondo annonce sur RTL sa retraite définitive du cinéma et du théâtre. En avril de la même année, à l'occasion de ses 82 ans, il revient sur cette déclaration et confie au Parisien qu'il aimerait bien rejouer. En octobre 2015, il apparaît à nouveau en public lors de la soirée d'ouverture du Festival Lumière.
Lors de la Mostra de Venise 2016, il se voit remettre des mains de la comédienne Sophie Marceau le Lion d'or pour la carrière. Le réalisateur polonais Jerzy Skolimowski est également récompensé. En février 2017, lors de la 42e cérémonie des César, un hommage est rendu par l'Académie des César à Jean-Paul Belmondo pour l'ensemble de sa carrière sous forme de montage vidéo rétrospectif.
Dans ses dernières années, le projet d'un nouveau retour sur les plateaux de cinéma est évoqué, sans aucun aboutissement. En 2017, Fabien Onteniente annonce Coup de chapeau, où l'acteur incarnerait un père enlevé de sa maison de retraite par ses deux enfants pour un dernier voyage entre Paris et l'Italie. Très avancé, le film est retardé puis annulé, n'ayant pas trouvé de distributeur, ni pu boucler le budget. Claude Lelouch annonce diverses idées au cours des années 2010, notamment en 2018, après sa suite à Un homme et une femme, une suite à Itinéraire d'un enfant gâté intitulée Itinéraire de deux enfants gâtés et pour laquelle Belmondo et Richard Anconina donnent leur accord. Lelouch envisage aussi de réunir Brigitte Bardot et Belmondo dans un même film, pour s'offrir le retour de deux icônes au cinéma.
Le 14 juillet 2019, il est élevé à la dignité de grand officier dans l'ordre national de la Légion d'honneur.
Le 19 septembre 2019, meurt l'acteur Charles Gérard dont il est très proche depuis leur rencontre en 1948 dans une salle de boxe, et leurs passions communes pour le sport. Il lui rend hommage en ces termes : « Notre amitié sans faille était prioritaire sur les plateaux de tournage. J’aimais le sentir à mes côtés dans Flic ou voyou et tant d’autres films. Oui, il était mon meilleur ami. Le plus important, celui de ma jeunesse. En un mot, il était mon pote ».
Mort, hommage national et obsèques
Jean-Paul Belmondo meurt le 6 septembre 2021 à son domicile situé au 39, quai d'Orsay dans le 7e arrondissement de Paris, à l'âge de 88 ans.
Dans les heures qui suivent cette annonce, plusieurs personnalités du monde politique et du spectacle lui rendent un hommage. Le président de la République, Emmanuel Macron, rend hommage à l'acteur à travers ces mots : « Il restera à jamais le Magnifique. Jean-Paul Belmondo était un trésor national, tout en panache et en éclats de rire, le verbe haut et le corps leste, héros sublime et figure familière, infatigable casse-cou et magicien des mots. En lui, nous nous retrouvions tous. ». Le soir même de sa mort, plusieurs chaînes de télévision bouleversent leur programme afin de diffuser des films dans lesquels Jean-Paul Belmondo a joué au cours de sa carrière. Le lendemain, la mort de Jean-Paul Belmondo fait la une de la presse européenne et internationale.
Un hommage national lui est rendu le 9 septembre dans la cour des Invalides en présence de personnalités politiques (une dizaine de ministres, l'ancien président François Hollande, l'ancien Premier ministre Jean-Pierre Raffarin) et du monde du spectacle (entre autres Jean Dujardin, Bob Sinclar, Guillaume Canet et Marion Cotillard, Michel Drucker, Vladimir Cosma, Richard Anconina, Gilles Lellouche...), d'un millier d'anonymes, et du président de la République, Emmanuel Macron, qui prononce son éloge funèbre. Quand son cercueil est repris pour se diriger aux Invalides, l'orchestre militaire interprète La Marseillaise et Chi Mai (thème du film Le Professionnel, composé par Ennio Morricone, dans lequel Jean-Paul Belmondo a joué). Le soir même, son cercueil est exposé aux Invalides pour que le public puisse venir lui rendre hommage. Des milliers de Français défilent devant le catafalque.
Le lendemain, ses obsèques se déroulent à l'église Saint-Germain-des-Prés en présence des proches et de la famille54. La présence de grandes personnalités du cinéma français est remarquée, telle que celles d'Alain Delon, de Pierre Richard ou de Claude Lelouch. Après une multitude d'hommages et une cérémonie religieuse, le cercueil de Jean-Paul Belmondo est crématisé au crématorium du cimetière du Père-Lachaise.