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.
Matrimonio y descendencia
En 1281, Sancho IV contrajo matrimonio con su tía segunda María de Molina, hija del infante Alfonso de Molina y Mayor Alfonso de Meneses y nieta del rey Alfonso IX de León y Berenguela de Castilla. De este matrimonio nacieron siete hijos:
- Isabel de Castilla (1283–1328), reina consorte de Jaime II de Aragón.
- Fernando IV de Castilla (1285–1312).
- Alfonso de Castilla (1286–1291), falleció a los cinco años de edad.
- Enrique de Castilla (1288–1299), falleció a los once años de edad.
- Pedro de Castilla (1290–1319), señor de los Cameros.
- Felipe de Castilla (1292–1327), señor de Cabrera y Ribera y pertiguero mayor de Santiago.
- Beatriz de Castilla (1293–1359). Reina consorte de Portugal entre 1325 y 1357 por su matrimonio con Alfonso IV de Portugal.
Fruto de su relación extramatrimonial con María Alfonso Téllez de Meneses, señora de Ucero y prima segunda de la reina María de Molina nacieron los siguientes hijos:
- Violante Sánchez de Castilla, contrajo matrimonio en 1293 con Fernando Rodríguez de Castro, señor de Lemos y Sarria. Fue sepultada en el monasterio de Sancti Spiritus de Salamanca.
- Teresa Sánchez de Castilla, contrajo matrimonio con Juan Alfonso Téllez de Meneses, I conde de Barcelos y IV señor de Alburquerque, e hijo de Rodrigo Anes de Meneses, III señor de Alburquerque, y de Teresa Martínez de Soverosa esta última nieta de Gil Vázquez de Soverosa. Después de enviudar de su primer esposo, el conde de Barcelos, en mayo de 1304, Teresa contrajo un segundo matrimonio con Ruy Gil de Villalobos, ricohombre, y tuvo una hija llamada María Rodríguez de Villalobos, la segunda esposa de Lope Fernández Pacheco, y testamentaria de su sobrino Juan Alfonso de Alburquerque.
De su relación con Marina Pérez nació:
- Alfonso Sánchez de Castilla, esposo de María de Salcedo, hija de Diego López de Salcedo. Falleció sin dejar descendencia.
De otra mujer, cuyo nombre se desconoce, tuvo otro hijo:
Los comienzos del matrimonio con la reina María de Molina fueron dificultosos, pues el matrimonio no contaba con la imprescindible dispensa pontificia, debido a un doble motivo, ya que por un lado existían lazos de consanguinidad en tercer grado entre los contrayentes, y además existían unos esponsales previos del entonces infante Sancho, aunque nunca consumados, con una rica heredera catalana llamada Guillerma de Montcada. El matrimonio con María de Molina al principio fue considerado nulo y por tanto todos los hijos nacidos de él, se consideraban ilegítimos.
