Il meurt « dans son diocèse[3] », à Lyon le , à l'âge de 53 ans[4]. Il sera inhumé dans la chapelle des carmélites fondée par sa grand-mère Jacqueline de Harlay ; à la destruction de celle-ci en 1821, les restes des Villeroy furent regroupés dans la chapelle Sainte-Philomène de l'église Saint-Bruno de Lyon[1].
Louis David et Dominique Saint-Pierre (dir.), « Villeroy, François Paul de Neufville de », dans Dictionnaire historique des Académiciens de Lyon : 1700-2016, éd. ASBLA de Lyon, , 1369 p. (ISBN978-2-9559-4330-4, présentation en ligne), p. 1337-1338.