อย่างไรก็ตาม การเสด็จประพาสนครเชียงใหม่ของพระราชชายาในคราวนี้นั้น พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวได้ทรงเป็นห่วงและเอาพระราชหฤทัยใส่ยิ่งนัก ในวันที่ 2 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2451 พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวเสด็จพระราชดำเนินพร้อมด้วยพระบรมวงศานุวงศ์ทั้งฝ่ายหน้าฝ่ายใน ตลอดจนข้าราชการชั้นผู้ใหญ่มาส่งเสด็จ พระราชชายาฯ เพื่อทรงประทับในขบวนรถไฟที่นั่ง สถานีรถไฟสามเสน ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าน้องยาเธอ กรมหลวงดำรงราชานุภาพ และพระเจ้าลูกยาเธอ พระองค์เจ้าดิลกนพรัฐ พระโอรสในเจ้าจอมมารดาทิพเกสร โดยเสด็จพระราชดำเนินไปส่งพระราชชายาฯ ถึงตำบลปากน้ำโพ นครสวรรค์ ซึ่งเป็นจุดสิ้นสุดของทางรถไฟสายเหนือ ตลอดการเสด็จพระดำเนิน ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้จัดข้าราชการเป็นหมวดหมู่ กรม กองโดยเสด็จพระราชชายาฯ มีธงดารารัศมีประจำพระองค์พระราชชายาฯประดับ เพื่อแสดงถึงฐานะของพระมเหสีอันสูงศักดิ์ และให้ข้าราชการ กรมการเมืองทั้งหลายตลอดเส้นทางที่เสด็จพระดำเนินสู่นครเชียงใหม่นั้นจัดเตรียมการรับเสด็จเสมือนหนึ่งว่าทรงดำรงตำแหน่ง พระอัครชายาเธอ ทีเดียว เมื่อ พระราชชายาฯ เสด็จถึงปากน้ำโพ ได้เสด็จพระดำเนินต่อโดยทางเรือ ทรงประทับในเรือเก๋งประพาส มีเรือในขบวนเสด็จกว่า 50 ลำ มีการปักธงทิวเป็นขบวนไปตามลำน้ำปิง เมื่อผ่านเขตอำเภอ จังหวัด มณฑลใด มีเจ้าหน้าที่ปลูกพลับพลาประทับร้อน ประทับแรม และคอยรับเสด็จตลอดเขตของตนทุกแห่งทั่วไป
การเดินทางเป็นไปอย่างล่าช้า ใช้เวลานานถึง 2 เดือน 9 วัน จึงเสด็จพระดำเนินถึงยังนครเชียงใหม่ เมื่อวันที่ 9 เมษายน พ.ศ. 2452 ณ ที่นั้น เจ้าพระยาสุรสีห์วิสิษฐศักดิ์ (เชย กัลยาณมิตร) ซึ่งเป็นข้าหลวงใหญ่มณฑลพายัพ พร้อมด้วยพระประยูรญาติเจ้านายฝ่ายเหนือ ข้าราชการทหาร พลเรือน ประชาชนแต่ละอำเภอ คหบดีทั่วทั้งดินแดนล้านนา ต่างจัดขบวนแห่ของตน มีขบวนทหาร ตำรวจ ข้าราชการขี่ม้าเข้าแถวนำ แต่งขบวนเป็นภาพคนสมัยโบราณ คนป่า เรื่องชาดกรามเกียรติ์ และนิทานพื้นบ้าน มีขบวนกลองชนะ กลองสะบัดไชย กลองเมือง แตรวง กลองพม่า ต่อกันเป็นระยะๆ ตามหน้าบ้านมีการตั้งเครื่องบูชารายทางมิได้ขาด จนกระทั่งถึงที่ประทับที่คุ้มหลวงนครเชียงใหม่ ซึ่งจัดเป็นข้างหน้าข้างใน มี สนม กรมวังกำกับอย่างใน พระบรมมหาราชวังทุกประการ และมีทหารกองเกียรติยศตั้งคอยรับเสด็จพระราชชายาฯอย่างสง่างาม
ระหว่างประทับที่เชียงใหม่ พระราชชายาฯ ได้เสด็จพระดำเนินไปทรงเยี่ยมพระประยูรญาติยังนครลำพูนและนครลำปาง และได้เสด็จเยี่ยมเยียนราษฎรในที่ต่างๆ รวมทั้งได้เสด็จไปนมัสการพระธาตุ พระพุทธบาท และปูชนียสถานสำคัญต่างๆอย่างทรงสำราญพระทัย ตลอดเวลาในการเสด็จประพาสนครเชียงใหม่ครั้งนี้ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวมีพระราชโทรเลขและพระราชหัตถเลขาแสดงความรักอาทรห่วงใยมาพระราชทานพระราชชายาฯไม่ขาด และพระราชชายาฯ ก็ทรงพระโทรเลขหรือลายพระหัตถ์ตรัสเล่าเรื่องราวต่างๆถวายกลับไป
พระราชชายาฯ ประทับอยู่ ณ นครเชียงใหม่ได้หกเดือนเศษ ก็ถึงคราวเสด็จนิวัติพระนคร ในการนี้พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว ทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้จัดเตรียมการรับเสด็จพระราชชายาฯอย่างยิ่งใหญ่ มีขบวนรับเสด็จอย่างมืดฟ้ามัวดิน ขบวนเรือเสด็จประกอบด้วยเรือถึง 100 ลำเศษ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวได้เสด็จประทับเรือยนต์หลวงมารอรับเสด็จพระราชชายาฯ ถึงที่อ่างทอง แล้วจึงเสด็จพระราชดำเนินและพระดำเนินพร้อมกัน 2 พระองค์ไปประทับแรม ณ พระราชวังบางปะอิน ในการนี้ได้โปรดเกล้าฯ พระราชทานสร้อยพระกรเพชรล้ำค่าเป็นของพระขวัญ ทรงประทับแรมอยู่ ณ พระราชวังบางปะอิน เป็นเวลา 2 ราตรี จึงเสด็จพระราชดำเนินและเสด็จกลับถึงพระนคร ในวันที่ 26 พฤศจิกายน พ.ศ. 2452
ในการนี้ พระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวยังทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ จัดพระราชทานเลี้ยงฉลองขึ้นตำหนักสวนฝรั่งกังไส (พระราชวังดุสิต) ซึ่งเป็นตำหนักใหม่ที่โปรดเกล้าฯ สร้างพระราชทานพระราชชายาฯเป็นพิเศษ โดยทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้เจ้านายฝ่ายเหนือที่โดยเสด็จพระราชชายาฯลงมากรุงเทพฯครั้งนี้ร่วมโต๊ะเสวยด้วยทุกองค์
หลังจากเสด็จนิวัติพระนคร พระราชชายาฯ ได้ทรงประทับอยู่ในพระราชวังดุสิต อย่างสำราญพระทัยที่ได้ทรงกลับมารับใช้เบื้องพระยุคลบาทพระบรมราชสวามีได้เพียง 10 เดือน ก็ต้องทรงประสพกับเหตุวิปโยคคราใหญ่ในพระชนม์ชีพอีกครั้งหนึ่ง เมื่อพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัวได้เสด็จสวรรคต ในวันที่ 23 ตุลาคม พ.ศ. 2453 นับรวมเวลาที่ พระราชชายาฯ ได้ถวายการรับใช้เบื้องพระยุคลบาท เป็นเวลา 23 ปีเศษ
นับแต่สิ้นรัชกาลพระบาทสมเด็จพระจุลจอมเกล้าเจ้าอยู่หัว พระราชชายาฯ ยังทรงประทับในพระราชวังดุสิตมาโดยตลอด จนกระทั่งปี พ.ศ. 2457 จึงได้ขอพระราชทานพระบรมราชานุญาตกราบถวายบังคมทูลลาพระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัว เพื่อเสด็จนิวัตินครเชียงใหม่เป็นการถาวร เมื่อได้รับพระบรมราชานุญาตแล้ว ก็เสด็จพระดำเนินสู่นครเชียงใหม่ โดยเสด็จออกเดินทางเมื่อ วันที่ 8 มกราคม พ.ศ. 2457 และเสด็จพระดำเนินถึงยังนครเชียงใหม่ในวันที่ 22 เดือนเดียวกัน ได้เข้าประทับยังคุ้มท่าเจดีย์กิ่ว ริมแม่น้ำปิง ตั้งแต่นั้น
ในบั้นปลายพระชนม์ชีพพระองค์ประทับอยู่ที่พระตำหนักดาราภิรมย์ ณ สวนเจ้าสบาย อำเภอแม่ริม อันเป็นตำหนักที่พระบาทสมเด็จพระมงกุฎเกล้าเจ้าอยู่หัวสร้างพระราชทานเป็นที่ประทับ โดยแวดล้อมด้วยพระประยูรญาติและข้าหลวงในพระองค์เป็นเวลานานถึง 20 ปี
จนกระทั่ง วันที่ 30 มิถุนายน พ.ศ. 2476 พระองค์เริ่มมีพระอาการประชวรด้วยพระโรคพระปัปผาสะพิการ (ปอดพิการ) แพทย์ทั้งในประเทศและต่างประเทศได้พยายามถวายการรักษาอย่างเต็มที่ แต่พระอาการมีแต่ทรงกับทรุด เจ้าแก้วนวรัฐ ซึ่งเป็นพระเชษฐาต่างพระมารดา (เจ้าแก้วนวรัฐประสูติแต่หม่อมเขียวในพระเจ้าอินทวิชยานนท์) จึงเชิญเสด็จมาประทับ ณ คุ้มรินแก้ว ในตัวเมืองเชียงใหม่ เพื่อให้สะดวกในการที่พระประยูรญาติจะได้ผลัดเปลี่ยนกันเข้าเฝ้าเยี่ยมพระอาการและเป็นการง่ายที่แพทย์จะถวายการรักษา
ความทราบถึงพระกรรณพระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวจึงทรงพระกรุณาโปรดเกล้าฯ ให้พระเจ้าพี่ยาเธอ กรมพระกำแพงเพชรอัครโยธิน อัญเชิญด้ายสายสิญจน์มาผูกพระกรพระราชชายาฯ พร้อมทั้งพระราชทานพระราชทรัพย์ส่วนพระองค์เพื่อช่วยในการรักษาพระอาการและโปรดเกล้าฯ ให้แพทย์ถวายรายงานพระอาการให้ทรงทราบเป็นประจำวัน ขณะเดียวกัน พระยาพหลพลพยุหเสนา (พจน์ พหลโยธิน) นายกรัฐมนตรี ได้สั่งการให้นายแพทย์กรมรถไฟขึ้นมาประจำกับแพทย์ทางเชียงใหม่ถวายการดูแลพระอาการอย่างใกล้ชิด นอกจากนั้น เจ้าแก้วนวรัฐ พระประยูรญาติ และข้าราชบริพาร ยังได้จัดซื้อเครื่องเอกซเรย์ชนิดย้ายที่ได้จากประเทศอินโดนีเซียเพื่อฉายดูพระปัปผาสะ เป็นการช่วยแพทย์แผนปัจจุบัน แต่พระอาการก็มิได้ทุเลาลงแต่อย่างใด
พระองค์สิ้นพระชนม์ เมื่อวันที่ 9 ธันวาคม พ.ศ. 2476 เมื่อเวลา 15.14 น. ณ คุ้มรินแก้ว สิริพระชันษา 60 ปี 3 เดือน 13 วัน พระบาทสมเด็จพระปกเกล้าเจ้าอยู่หัวโปรดเกล้าฯ พระราชทานโกศกุดั่นน้อยและเครื่องสูง 1 สำรับ และให้ข้าราชบริพารไว้ทุกข์มีกำหนด 7 วัน เป็นเกียรติยศ
หม่อมเจ้าพูนพิศมัย ดิศกุล พระธิดาในสมเด็จฯ กรมพระยาดำรงราชานุภาพได้ทรงกล่าวถึง พระราชชายาฯ ซึ่งทรงออกพระนามว่า "เจ้าป้า" ตอนหนึ่งว่า "ข้าพเจ้ารู้สึกทึ่งและประทับใจยิ่งนัก เวลาเห็นพระองค์ท่านประทับอยู่ในที่ว่าราชการ ท่ามกลางข้าราชการฝ่ายเหนือและฝ่ายใต้ จากที่เคยเห็นท่านดำรงพระองค์เรียบง่ายสงบคำเวลาประทับอยู่ในวังหลวง แต่ในที่นั่น พระองค์ท่านมีรับสั่งว่าราชการอย่างฉะฉาน เวลาตรัสกับข้าราชการฝ่ายเหนือก็ตรัสเป็นภาษาเหนือ เวลาตรัสกับข้าราชการฝ่ายใต้ก็ตรัสเป็นภาษาใต้ รับสั่งกลับไปกลับมาอย่างคล่องแคล่วยิ่งนัก เห็นได้ชัดว่าพระองค์ทรงเป็นที่เคารพเทิดทูนของข้าราชการทุกหมู่เหล่าอย่างยิ่ง" นอกจากนั้น ยังทรงกล่าวตอนหนึ่งว่า "ฉันเคยพูดกับพวกฝรั่ง เขาว่านะว่า เจ้าเชียงใหม่ไม่เห็นจะทรงฉลาดซักเท่าไร เห็นจะมีแต่ พริ้นเซสออฟเชียงใหม่ ซึ่งหมายถึง พระราชชายาฯ นี่นะสิ ทรงฉลาดเหลือเกิน"