Flickan våldtogs när hon hälsade på sin äldre syster i staden Magura i förra veckan. Hon vårdades sedan dess för kritiska skador, men avled enligt BBC på torsdagen efter att ha drabbats av tre hjärtstopp.
Jag trodde att min dotter skulle överleva. Om hon hade klarat sig hade jag aldrig mer låtit henne gå ensam någonstans, säger mamman till lokala medier.
Den äldre systerns 18-årige make samt hans föräldrar och bror har gripits.
Tusentals personer närvarade vid en begravningsbön för flickan på torsdagen. En stor protestmarsch hölls även i huvudstaden Dhaka.
Demonstranterna kräver rättvisa för våldtäktsoffer och stärkt lagstiftning för brott mot kvinnor och barn. De efterlyser också tydligare juridiska definitioner av våldtäkt, rapporterar BBC.
Bangladesh präglas, liksom grannlandet Indien, av skyhöga nivåer av våld mot kvinnor och barn. Bara dagarna efter våldtäkten i Magura rapporterades minst tre våldtäkter mot barn i landet.
