Ngày 1 tháng 11 năm 2006, ông đi ăn tối cùng hai người đồng nghiệp tình báo cũ. Sau buổi ăn tối định mệnh đó, Litvinenko bị tiêu chảy, ói mửa và thấy mệt trong người. Ông được đưa vào Bệnh viện Barnet ở phía Bắc London, nhưng bác sĩ ở đó không sao chẩn đoán được ông mắc bệnh gì. Vì tình trạng sức khỏe của Litvinenko càng ngày càng trở nên nghiêm trọng, nên bác sĩ quyết định chuyển ông đến UCH.

Khi nhập viện UCH, tình trạng của Litvinenko càng ngày càng tồi tệ hơn. Da ông trắng bệch, bác sĩ phải đặt ống thở. Các bộ phận trong cơ thể như gan, thận, phổi… trong người Litvinenko dần dần ngưng hoạt động. Hệ thống miễn dịch cũng suy sụp nhanh chóng với lượng bạch huyết cầu giảm nhanh. Các bác sĩ cố gắng lấy tủy xương để làm xét nghiệm, nhưng họ không cách gì lấy được một mẫu. Họ nghi ngờ rằng các tế bào phân chia đã bị đầu độc, nhưng lại không biết chất gì là thủ phạm.

Xét nghiệm Greiger cho ra kết quả âm tính phóng xạ gamma. Các bác sĩ và nhà khoa học tiếp tục tìm kiếm chất độc khác, nhưng danh sách các chất này rất dài nên không dễ gì phát hiện được. Trường hợp của Litvinenko là một trường hợp cực kỳ mới đối với y khoa Anh. Thế là họ quyết định lấy mẫu nước tiểu của bệnh nhân gửi cho Cục vũ khí nguyên tử (Atomic Weapons Establishments, AWE) để phân tích và phát hiện ra chất Polonium-210. Tuy rằng chất Polonium-210 rõ ràng có để lại dấu vết, song khó mà phát hiện được, lý do là vì loại chất này phát ra tia phóng xạ alpha hiếm, do đó các trang thiết bị thông thường của bệnh viện hay cảnh sát như thiết bị của hãng Geiger không phát hiện ra. Phải mất tới ba tuần sau vụ đầu độc, tức chỉ vài giờ trước khi Litvinenko chết, ông mới được xét nghiệm bị nhiễm tia phóng xạ alpha.[4],[5]

Ông Litvinenko chết ngày 23 tháng 11 năm 2006 tại London. Nồng độ chất phóng xạ trong cơ thể ông quá cao đến nỗi ông chết sau 23 ngày kể từ ngày bị đầu độc. Liều gây chết trung bình (LD50) của Polonium-210 là khoảng 50 nanogram. Trong khi đó, người ta tìm thấy trong cơ thể của Litvinenko chứa nồng độ cao hơn gấp 200 lần, vào khoảng 10−5 gram.

Norberto Andrade là người đã đem trà cho cựu điệp viên của Nga, Alexander Litvinenko tại quán bar trong khách sạn (Millennium Hotel) ở London, nơi cựu điệp viên này bị đầu độc. Norberto Andrade cho rằng chất phóng xạ đã được phun vào trong cốc trà của cựu điệp viên. Cách đầu độc này, sau đó được khẳng định nhờ vào các bằng chứng từ cơ quan điều tra. Cơ quan này đã tìm thấy chất phóng xạ Polonium-210 trên bức tranh được treo ngay trên chỗ ngồi của Litvinenko. Ngoài ra chất phóng xạ còn được tìm thấy trên mặt bàn, trên ghế ngồi và trên sàn nhà. Khi dọn dẹp bàn, Andrade cũng phát hiện phần còn lại của tách trà của Litvinenko có màu lạ.

Thủ phạm

Đây là vấn đề gây tranh cãi. Một cách không chính thức, cơ quan điều tra của Anh tuyên bố biết ai là thủ phạm. Nghi can trực tiếp được cho là hai cựu điệp viên KGB: Andrei Lugovoy và Dmitry Kovtun. Hai người này đã gặp Litvinenko tại Millennium Hotel ở London ngay trong ngày mà Litveniko bị đầu độc. Anh yêu cầu dẫn độ hai người này để điều tra nhưng Nga từ chối. Trước khi chết, Litvinenko cho rằng vụ đầu độc này liên quan đến Putin. Mặc dù vậy, các cáo buộc và nghi ngờ này đều bị chính phủ Nga bác bỏ.

Theo bản phúc trình ngày 21.1.2016 từ cuộc điều tra của tòa án hình sự London, bằng chứng chống lại Lugovoy và Kovtun đa phần đến từ các hồ sơ lưu trữ của cảnh sát, những tài liệu này đã xác minh “dấu vết chất Polonium” do hai người để lại xung quanh London. Ngoài ra, theo lời khai của một nhân chứng, Kovtun từng tuyên bố trước khi xảy ra sự việc rằng ông đang thực hiện sứ mệnh “thủ tiêu một kẻ phản bội” với “một thứ chất độc rất đắt tiền”. Cuộc điều tra đã phát hiện ra rằng hai tay sát thủ đã ám sát hụt hai lần trước khi hoàn thành nhiệm vụ. Vào ngày 16/10, do lượng chất phóng xạ bị đổ gần hết lên khăn trải bàn nên Litvinenko chỉ hấp thụ một lượng nhỏ, và đến ngày 26/10, tất cả số chất phóng xạ Polonium-210 bị đổ ra sàn phòng tắm khách sạn của Lugovoy. Cuối cùng, vào ngày 1/11, hai người này đã thanh toán được Litvinenko với một liều thuốc độc chết người, khiến ông tử vong sau đó 22 ngày.[5]

Andrei Lugovoy hiện là (2016) đại biểu quốc hội Nga. Tháng 3 2015, ông được tổng thống Vladimir Putin trao huy chương vì đã "phục vụ tổ quốc". Dmitry Kovtun hiện là một doanh nhân ở Moskva.[6],[7]