A su muerte, el cadáver de Sancho IV recibió sepultura en la Capilla de Santa Cruz de la Catedral de Toledo, cumpliéndose así la voluntad del monarca, expresada en su testamento.  El monarca, años antes de su fallecimiento, ordenó la erección de la Capilla de Santa Cruz de la Catedral de Toledo, lugar al que hizo trasladar el 21 de noviembre de 1289 los restos de los reyes Alfonso VII el Emperador, Sancho III de Castilla y Sancho II de Portugal, que se encontraban sepultados en la capilla del Espíritu Santo de la catedral.

Al lado del sepulcro que contenía los restos de Alfonso VII, fue colocado el sepulcro en el que recibió sepultura el cadáver de Sancho IV, y que había sido labrado en vida de este último, aunque posteriormente, en 1308, la reina María de Molina, lo sustituyó por otro sepulcro más suntuoso. A finales del siglo XV, el cardenal Cisneros ordenó edificar la actual capilla mayor de la Catedral de Toledo, en el lugar que ocupaba la capilla de Santa Cruz. Una vez obtenido el consentimiento de los Reyes Católicos, la capilla de Santa Cruz fue demolida y, los restos de los reyes allí sepultados, fueron trasladados a los sepulcros que el Cardenal Cisneros ordenó labrar al escultor Diego Copín de Holanda, y que fueron colocados en el nuevo presbiterio de la catedral toledana.

El mausoleo destinado a albergar los restos de Sancho IV y los de Sancho III de Castilla, se encuentra situado en el lado de la Epístola, y fue realizado por el escultor Diego Copín de Holanda. La disposición del mausoleo es similar al destinado a albergar los restos de Alfonso VII de León y del infante Pedro de Aguilar, hijo ilegítimo de Alfonso XI, situado enfrente de él. La estatua yacente que representa a Sancho IV se encuentra colocada por debajo de la que representa a Sancho III. La estatua representa a Sancho IV con aspecto juvenil, apoyando la cabeza sobre un almohadón, descalzo, y vistiendo un hábito franciscano, con cordón.

En 1947, en el transcurso de una exploración arqueológica efectuada en el presbiterio de la Catedral de Toledo, a fin de localizar los restos del rey Sancho II de Portugal y de que fueran devueltos a su país, fueron encontrados los restos de Sancho IV.

Los restos del rey se encontraban momificados, en buen estado, encontrándose el soberano desnudo de cintura para arriba, y llevando un hábito franciscano, sujeto a la cintura del monarca mediante un cordón franciscano. El soberano, que en vida debió sobrepasar los dos metros de estatura, llevaba una corona de plata sobredorada sobre sus sienes, adornada con camafeos romanos y zafiros, y sujeta mediante un cordón que pasaba bajo el mentón del monarca. El cadáver empuñaba una espada, de empuñadura sobredorada, y en la hoja de la espada aparecía grabada una inscripción de la que solo se conservaban algunos fragmentos, encontrándose oxidada la hoja en algunas partes. La longitud de la espada, que no se corresponde con la elevada estatura del soberano, y alguna referencia documental sobre la corona de su abuelo Fernando III invitan a pensar que habría recibido ambas piezas por herencia.

Tras el examen de los restos, el cardenal Enrique Plá y Deniel, arzobispo de Toledo, ordenó que el cadáver de Sancho IV fuera vestido con un hábito franciscano, y depositado de nuevo en su mausoleo del presbiterio de la catedral toledana.