Nhạc sĩ Thế Song bị tai biến lần thứ nhất vào năm 2008. Với thể lực tốt, ông đã nhanh chóng phục hồi. Sau đó, ông vẫn trở lại được với nếp sinh hoạt thường ngày. Ông tập thể dục thường xuyên, mỗi chiều lại đạp xe một vòng quanh Hồ Tây. Nhưng tháng 5 này, ông bị tai biến lần hai và sức khỏe giảm sút trầm trọng.

Sau một đợt điều trị tại viện 108 (Hà Nội), trở về nhà nhạc sĩ Thế Song lại tiếp tục được con cháu đưa nhập viện Bạch Mai. Căn bệnh tiểu đường cùng tai biến mạch máu não khiến sức khỏe của ông giảm sút từng ngày. Con trai út của ông - nhạc sĩ Thế Hiển cho biết, mặc dù đầu óc vẫn còn minh mẫn, ông không thể nói được do bị cứng lưỡi và người gầy đi nhiều. Nhạc sĩ chỉ có thể nằm yên và ra dấu hiệu cho con cháu túc trực ngày đêm bên cạnh. Ông cũng chỉ tiếp nhận được thức ăn lỏng qua ống truyền.

Nhạc sĩ Thế Song sáng tác nhiều ca khúc về biển đảo, trong đó nổi tiếng nhất là Nơi đảo xa - ca khúc được cất lên khắp nơi trong nhiều tháng qua, khi tình hình Biển Đông có nhiều biến động. Mới đây, Nơi đảo xa, qua sự thể hiện của ca sĩ Tùng Dương, đoạt giải Bài hát yêu thích tháng 6. Trong lễ trao giải diễn ra đầu tháng 7, do sức khỏe kém, nhạc sĩ Thế Song đã không thể góp mặt. Con trai ông, nhạc sĩ Thế Hiển thay mặt bố nhận giải thưởng này.

Nhạc sĩ Thế Hiển chia sẻ, năm 2008, bố anh sáng tác ca khúc Tuổi hồng con gái, được ca sĩ Ngọc Hằng thể hiện. Từ đó đến nay ông không viết nhạc nữa.