Scotland Yard prowadził dochodzenie w sprawie otrucia Litwinienki. Początkowo lekarze podejrzewali infekcję, następnie zatrucie pokarmowe, a później (prof. John Henry), że użytą trucizną były związki talu, które bywały dawniej stosowane w trutkach na szczury. Do objawów zatrucia talem należą wyłysienie i uszkodzenie nerwów obwodowych. Litwinienko przebywał na leczeniu pod strażą w University College Hospital w LondyniePoisoning of Russian agent raises fears of UK vendetta | UK news | The Observer. Zmarł w nocy z 23 na 24 listopada 2006.
24 listopada brytyjskie służby medyczne podały, że w organizmie Litwinienki nie znaleziono talu, ale silnie radioaktywny i toksyczny izotop polonu 210. Polon został mu podany w herbacie. W liście pożegnalnym, skierowanym do przyjaciela, Aleksandra Goldfarba, Litwinienko odpowiedzialnością za swoje otrucie obarczył ówczesnego prezydenta Rosji Władimira Putina. 7 grudnia 2006 został pochowany na cmentarzu Highgate Cemetery w Londynie.
W styczniu 2016 BBC podało wyniki brytyjskiego śledztwa, które stwierdziło, że „prezydent Putin prawdopodobnie zatwierdził morderstwo Litwinienki”, motywem miała być wzajemna niechęć na gruncie osobistym. Strona rosyjska odrzuciła i nie zaakceptowała wniosków płynących z przedmiotowego dochodzenia, twierdząc, że zostało ono upolitycznione.