Theo giáo sư Phạm Gia Khải, thành viên Ban Chăm sóc Sức khỏe Trung ương, Nguyễn Bá Thanh từng bị viêm gan B, ngoài ra còn bị mắc bệnh áp xe hậu môn từ lâu, cần "thông chỗ bị rò ở hậu môn".[81]

Ngày 10 tháng 9 năm 2014, báo RFA (Đài Á Châu Tự Do) theo tin một bác sĩ cho biết ông Thanh đã "bị nhiễm phóng xạ và cần phải ghép tủy", vì vậy phải sang một bệnh viện ở Hoa Kỳ điều trị. Tại bệnh viện của Hoa Kỳ cũng đưa ra kết quả chẩn đoán trùng khớp với chẩn đoán của Bệnh viện C Đà Nẵng là nhiễm độc phóng xạ.[82]

Theo chẩn đoán, ông Thanh bị suy tủy, không sản sinh được hồng cầu và tiểu cầu, trong đó tiểu cầu giảm mạnh nên phải truyền máu liên tục.[83]

Ngày 30 tháng 10 năm 2014, theo thông báo của Phó ban Nội chính Trung ương Nguyễn Doãn Khánh, ông Nguyễn Bá Thanh, mặc dù nằm bệnh viện ở nước ngoài, vẫn điều hành công việc thông qua thư ký và liên lạc qua điện thoại.[84]

Ngày 29 tháng 12 năm 2014, báo Tuổi trẻ đưa tin: Bí thư Thành ủy Đà Nẵng Trần Thọ xác nhận: ông Nguyễn Bá Thanh vẫn sống và đang được chữa bệnh tại Mỹ. Tuy vậy "mấy hôm nay mọi liên lạc với người nhà của ông (hiện đang ở Mỹ) đã không kết nối được".[85]

Ngày 2 tháng 1 năm 2015, một trang blog tên là Chân dung quyền lực thông báo ông Nguyễn Bá Thanh sắp về Việt Nam, và đưa ra chính xác ngày giờ về kèm theo thông tin rằng ông Nguyễn Bá Thanh bị đầu độc phóng xạ. Tin đồn lan tỏa trở nên phổ biến tại Việt Nam.

Sáng 5 tháng 1 năm 2015, gia đình ông Nguyễn Bá Thanh đã thu xếp đưa ông từ Mỹ về Đà Nẵng để dưỡng bệnh. Dự kiến máy bay đưa ông Thanh và con trai ông, Nguyễn Bá Cảnh sẽ về đến Đà Nẵng vào chiều 6 tháng 1 năm 2015.[86] Thành ủy Đà Nẵng đã có cuộc họp với Sở Y tế để chuẩn bị các phương án đón ông Nguyễn Bá Thanh về điều trị.[87] Giám đốc Sở Y tế khẳng định nơi chữa trị cho ông Thanh sẽ là khoa Ung bướu của Bệnh viện Đà Nẵng.[88][89][90]

Ngày 6 tháng 1 năm 2015, theo báo Tuổi trẻ, đến 17g ngày 6 tháng 1, máy bay chở ông Nguyễn Bá Thanh vẫn chưa thể cất cánh rời sân bay ở Seattle (Washington) nên chưa thể về Việt Nam theo kế hoạch đã định.[91]. Chuyến bay bị hoãn lại với lý do thời tiết xấu.[90][92][93]

Giáo sư Phạm Gia Khải, thành viên Ban Bảo vệ, Chăm sóc Sức khỏe Trung ương, cho biết các chuyên gia sẽ hội chẩn cho ông Nguyễn Bá Thanh vào ngày 8 tháng 1. Phác đồ điều trị cho ông Nguyễn Bá Thanh với bệnh về máu ác tính mà các bác sĩ ở trong nước áp dụng cũng giống như của các bác sĩ Mỹ: tiêu diệt tủy để sau đó tủy tự phát triển lại.[92][94] Giáo sư Khải cũng khẳng định tin đồn "ông Thanh bị đầu độc" chỉ là xuyên tạc: "Chưa có bằng chứng nào chứng minh ông Thanh bị đầu độc bằng hóa chất hay chất độc. Việc xét nghiệm máu, nước tiểu có thể thấy được bị đầu độc hay không. Bệnh máu ác tính này tuổi nào cũng có thể mắc".[92]

Ngày 6 tháng 1 năm 2015, trả lời phỏng vấn BBC, ông Võ Công Trí, Phó Bí thư Thành ủy Đà Nẵng khẳng định những thông tin ông Thanh bị đầu độc là "không có cơ sở". "Tôi cũng không hiểu lắm vì sao họ đưa ra những thông tin đó vào lúc này. Nhưng cái đó là không có thật, không đủ cơ sở để tin cậy".[90]

Ngày 7 tháng 1 năm 2015, trả lời phỏng vấn BBC, Giáo sư Phạm Gia Khải nhận xét về khả năng phục hồi của ông Nguyễn Bá Thanh: "Tuổi ông đã cao, ngoài 60. Có thể diệt tủy rồi thay tủy, nhưng đối với ông Thanh thì khả năng đó rất khó vì tuổi lớn rồi thì khả năng tủy phục hồi khó lắm".[95]

13h30 ngày 7 tháng 1 năm 2015, Ban Tuyên giáo và Ban Bảo vệ Sức khỏe Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam đã có cuộc trao đổi với báo chí về tình hình bệnh của ông Thanh. Ông Nguyễn Quốc Triệu, Trưởng ban Bảo vệ Sức khỏe Trung ương cho biết: cho đến 7 giờ 28 phút sáng ngày 7 tháng 1 (giờ Việt Nam) thì vẫn chưa có lịch máy bay đưa ông Thanh lên đường về nước.[96][97] Bác sĩ Bạch Quốc Khánh thông báo bệnh của ông Thanh là hội chứng rối loạn sinh tủy,[96][98] rất không may mắn là thể này chuyển biến khá nhanh, vì thế các bác sĩ ở Mỹ đã quyết định điều trị hóa chất, tiến tới ghép tủy.[97][98] Điều trị hóa chất thông thường là hai hoặc ba đợt, ông Thanh đã điều trị ba đợt nghĩa là sức khỏe tốt.[98] Tuy nhiên, do điều kiện ghép tủy chưa đạt nên phải dừng lại và dự định sẽ điều trị nâng cao thể trạng tại Việt Nam.[97][99] Cũng theo bác sĩ Khánh, nếu được ghép tủy, ông Thanh có thể hết bệnh.[98] Theo giáo sư Phạm Gia Khải, thành viên Ban Sức khỏe Trung ương, "Ông Thanh chưa có triệu chứng nhiễm độc ở bất kỳ bộ phận cơ thể nào thì không thể nói là bị nhiễm độc".[100] Phó ban Tuyên giáo Nguyễn Thế Kỷphát biểu: "Căn cứ nào nói (ông Thanh) bị đầu độc? Trên mạng có nhiều thông tin xấu độc, chia rẽ nội bộ, tung tin. Phải sàng lọc thông tin, không thể nghe bất kỳ thông tin nào trên mạng. Hoàn toàn không có chuyện đó".[101]

20g30 tối 9 tháng 1 năm 2015, chuyên cơ y tế chở ông Nguyễn Bá Thanh đã tới sân bay Đà Nẵng. 21h cùng ngày, ông Thanh được chuyển tới khoa Ung bướu Bệnh viện Đà nẵng trong sự chào đón của người dân.[102][103][104]

Blog Chân dung quyền lực trở nên nổi tiếng kể từ khi loan báo chính xác ngày giờ ông Nguyễn Bá Thanh được chở về Việt Nam ngày 9 tháng 1 năm 2015, trong khi hầu hết giới chức tại Việt Nam, kể cả những người trong Ủy ban Bảo vệ Sức khoẻ của Trung ương cũng như giới lãnh đạo tại Đà Nẵng đều không được biết.[105]

Theo báo chí trong nước đưa tin, ông Thanh được điều trị bằng thuốc cổ truyền Đông y và thuốc gia truyền kết hợp,[106] và đã có thể đi lại nhẹ nhàng trong phòng.[107]

Tuy nhiên, sau khoảng 1 tháng, đến ngày 12 tháng 2 năm 2015, những tin tức chính thức đưa ra là Nguyễn Bá Thanh rơi vào hôn mê, phải thở máy, khối lượng cơ thể chỉ còn khoảng 30 kg.[108] Theo Phạm Gia Khải, một trong các bác sĩ tham gia hội chẩn và điều trị, Nguyễn Bá Thanh đã suy gan nặng, nhiễm nấm khắp cơ thể, ung thư máu do rối loạn sinh tủy, không thể cầm cự lâu được, trừ khi có phép lạ,[109] chưa chắc đã qua được Tết Âm lịch.[110] Sau khi hội chẩn tối 12 tháng 2 cho thấy Nguyễn Bá Thanh còn bị xuất huyết nội tạng, hồng cầu, tiểu cầu giảm và hôn mê hai ngày chưa tỉnh.[111] Trưởng ban Bảo vệ và Chăm sóc Sức khỏe Cán bộ Trung ương Nguyễn Quốc Triệu cũng cho rằng tình hình sức khỏe của ông Nguyễn Bá Thanh nói chung là rất khó khăn,[112] bệnh tình của ông đã đến hồi nguy kịch.