עם קום הכנסת הראשונה, לאחר הבחירות שנערכו - בינואר 1949, נבחר ד"ר חיים וייצמאן לנשיא המדינה (16.2.49).
באפריל אותה שנה יצא לארצות-הברית לפי הזמנתו של הנשיא טרומאן. וחזר ארצה כעבור חודש ימים.
מאז נעשה מצב בריאותו של הנשיא רופף יותר ויותר. עוד במאי 1949 נאלץ הנשיא להתפטר מתפקידו כיו"ר חבר-הנאמנים של האוניברסיטה, וכאות הכרת תודה על עבודתו המסורה הוענק לו תואר של נשיא-כבוד. בספטמבר יצא להבראה לשווייץ, ובין השאר ערר ביקור באוניברסיטת פרייבורג. בה התחיל את הקריירה המדעית שלו לפני יובל שנים. במעמד חגיגי העניקה האוניברסיטה לנשיא ישראל, על פי מנהג ישן, תואר דוקטור.
ב-19 בנובמבר 1951, נבחר שנית, על-ידי הכנסת השניה. לנשיא ישראל, אך הפעם לא הרשה לו מצב בריאותו להופיע לפני הכנסת ולהישבע אמונים לעם במעמד פומבי, וטכס ההצהרה נערך בביתו ברחובות.
במלאת לו שבעים וחמש שנה, החליטה הקהק"ל לנטוע יער לכבודו בשם "יער הנשיא".
ד"ר וייצמן ענה למברכיו שבאו לברכו ליום הולדתו: "אני מאמין שעשיתי שגיאות ועכשיו הזמן לבקש סליחה, על אלה שנעשו במזיד, ועל אלו שנעשו בשוגג. איני יכול להבטיח לכם, שלא אעשה שגיאות בעתיד, אני רק בן אדם".
עוד במלאות לו ששים שנה (בתרצ''ד) נבחר פה אחד ע"י מועצת עירית תל-אביב לאזרח הכבוד ה-14 של העיר.
במלאת לו שבעים שנה (תש"ה), ציינה מועצת העיר תל-אביב את יובלו, ע"י קביעת "פרס ויצמן - למחקרים במדעים המדויקים''. במטרה: לעודד ולהמריץ את החוקרים העברים במדעים אלה, ובפרט החוקרים היושבים בא''י ופועלים בה.
למעלה משנה היה חולה אנוש. נלחם באומץ לב ובגבורה רבה במחלתו והתגבר עליה.
נפטר ברחובות, כ"א חשון תשי"ג (9.11.52) ובקבר לפי בקשתו, בחצר ארמונו ברחובות. רבבות עברו ליד ארונו לפני קבורתו.
צאצאיו: בנימין (מוסמך לפילולוגיה ע"י אוניברסיטת אוקספורד), מיכאל (היה פיסיקאי. במלחמה העולמית השניה שירת בתור קצין-טיס בחיל האויר הבריטי בשירות לילה מעל האוקינוס, מתחמק מאוירוני האוייב הגרמני ומביא אניות נושאות מזון ותחמושת מאמריקה אל מבואותיה המערבים של אנגליה. נעדר מיום 11.2.1942).
על שמו של ד"ר חיים וייצמן - "גן-חיים" מושב עובדים להתישבות שתופית בע"מ.
ליום השלשים לפטירתו, הופיעו "בולי-הנשיא'' בערכים של 30 ו-110 פרוטות ע"י הדאר בישראל.