Cafodd Janice Griffiths ei chludo i'r ysbyty yn dilyn ymosodiad yn Ffynnon Taf nos Lun, ond mae hi bellach wedi marw.
Mae dyn 22 oed wedi ei arestio, ac mae'n parhau i fod yn y ddalfa mewn uned iechyd meddwl ddiogel.
Dywedodd y Ditectif Brif Arolygydd, Ceri Hughes: "Mae hyn yn adeg hynod o drist i deulu Janice a chymuned Ffynnon Taf, ble roedd gan Janice lawer o ffrindiau.
"Hoffwn ddiolch i'r tystion wnaeth ymyrryd a gwneud popeth allen nhw, a'r staff meddygol weithiodd yn ddiflino i geisio achub Janice.
"Rydym yn cynnig cefnogaeth i deulu Janice ac mae gennym ni swyddogion heddlu ychwanegol yn y gymuned i dawelu meddyliau trigolion."
Mae Heddlu De Cymru wedi dweud eu bod bellach yn ymchwilio i achos o lofruddiaeth, yn dilyn marwolaeth dynes 59 oed.