Некоторое время казалось, что принц умрёт. Филипп II послал своего личного врача Хуана Гутьерреса вместе с двумя королевскими хирургами, Педро де Торресом и доктором Португесом, в дополнение к двум другим врачам, которые уже лечили принца; один из них, Даса Чакон, позже составил полное описание болезни Дона Карлоса. У него была рана «размером приблизительно с ноготь на большом пальце, края сильно ушиблены и перикраний обнажён, и ещё он, казалось, несколько контужен». Дон Карлос пришёл в себя, ему пустили кровь (восемь унций крови в первый день и шесть унций за два последующих дня) и ему даже позволили съесть несколько черносливин, бульон и куриную ножку, что он закусил мармеладом. Но через несколько дней рана начала гноиться, у принца поднялась температура и распухли железы на щеке.
Врачи боялись, что может быть внутренний разрыв, из Вальядолида привезли очень искусного хирурга, бакалавра Торреса, чтобы сделать надрез в коже черепа, «чтобы, — как докладывал Чалонер своей госпоже, королеве Англии, — освободить скальп». Надрез сделали «в форме буквы „Т“», но «невозможно было увидеть, повреждён ли череп, из-за сильного кровотечения; ничего не оставалось делать, только остановить его и перевязать рану».
Состояние Дона Карлоса и дальше ухудшалось, так встревожив его отца, что он тут же приехал из Мадрида и привёз с собой очень уважаемого анатома, Андреаса Весалиуса. Весалиус, к которому испанские коллеги относились с подозрением, в самом деле лечил нидерландцев при дворе Филиппа, а не был его личным врачом. «Король, — пишет домой Чалонер, — привёз доктора Весалиуса (небезызвестного своим высоким искусством) с собой из Мадрида, чьей более высокой учёности испанцы не могли признать в соответствии с его достоинством, так как горшечник ненавидит горшечника (quia figulus odit figulum)». Весалиус был знаком с Дасой Чаконом — они оба были свидетелями того, как французский король Генрих II получил смертельную мозговую травму на турнире в 1559 г.
Филипп II лично присутствовал, когда врачи обрабатывали рану его сына странным составом из измельчённого ириса и кирказона, потом мазью из скипидара и яичного желтка, а в завершение розовым мёдом и пластырем из буковицы; но Дону Карлосу не становилось лучше. Чалонер рассказывал королеве Елизавете: «На следующий день был праздник Вознесения, и так как лицо его начало опухать, врачи дали ему лёгкое слабительное, которое подействовало на него четырнадцать раз; при его состоянии ему трудно было это перенести. К концу дня отёк увеличился, появились маленькие воспалённые прыщи, называемые рожистым воспалением, что удвоило сомнение врачей и подавленность короля. В пятницу 8 мая его состояние улучшилось, рана на голове засыхала. В субботу (9 мая) отёк настолько увеличился, что у него закрылись глаза, так что когда король пришёл навестить его, он вынужден был поднять ему веки… Опухоль распространилась сначала по левой стороне, на ухо и глаз, а затем по правой, так что гнойник покрывал всё лицо и перешёл на шею, грудь и руки».
Врачи решили, что принц был слишком слаб, чтобы пускать ему кровь, но ему поставили банки и дали слабительное. Весалиус считал, что, вероятно, есть внутреннее повреждение и рекомендовал трепанацию, но так как не все были согласны, он пошёл на компромисс — выскоблить или выскрести череп, чтобы удалить гной.
Дон Карлос был всё ещё очень опасно болен, настолько, что в комнату больного был допущен мавританский врач из Валенсии, Пинтарете, он применил мази; но рана «стала ещё хуже, потому что чёрная мазь настолько её сожгла, что череп стал чёрным, как чернила». Пинтарете был изгнан. Возносились молитвы о выздоровлении принца, в церквах выставлялись реликвии и, как докладывал сэр Томас Чалонер, «проходили торжественные процессии всех религиозных орденов, с образами Пресвятой Девы и святых. В конце концов высушенный труп святого брата, Фра Диего, высоко чтимого за свою святость — он завоевал широкую известность, проповедуя на Канарских островах, — был принесён в комнату принца, и его положили рядом с принцем в кровать на всю ночь».
Смерти Дона Карлоса ждали каждый день. Бледность его лица, сказал племянник папы, граф Аннибале д'Эмпс флорентийскому посланнику, может обозначать только приближение смерти. Король проявлял все признаки истинного горя, глаза его наполнялись слезами; и герцог Альба не покидал спальни даже чтобы переодеться. «Ибо хотя, — реалистично докладывал Чалонер, — на первый взгляд манеры и нрав принца показывают его как угрюмого и жестокого, и его не любят и боятся, всё же, учитывая, что он единственный законный сын своего отца, можно понять, почему так близко к сердцу принимают его потерю».
Сражённый горем, король отправился в монастырь Св. Иеронима, «намереваясь (если принц умрёт) удалиться в какой-нибудь другой, ещё более уединённый», заказав траурное платье и оставив указания о похоронах герцогу Альбе и графу Фериа.