Vào thập niên 1990s, Litvinenko được điều động về cục tình báo Nga (KGB) và giao nhiệm vụ đấu tranh chống tham nhũng. Nhưng sau khi nhận nhiệm vụ chẳng bao lâu, Litvinenko trở nên bất mãn với cách làm việc của cơ quan tình báo nổi tiếng thế giới này. Năm 1998, Litvinenko và vài đồng nghiệp tổ chức một buổi họp báo lạ lùng, ông và đồng nghiệp phải đeo mặt nạ trượt tuyết để che dấu danh tánh trong khi trả lời phỏng vấn của giới báo chí về những tiêu cực mà ông và đồng nghiệp chứng kiến trong cơ quan tình bào. Năm 2000, Litvinenko quyết định đào tẩu khỏi Nga và xin tị nạn chính trị ở Anh. Trong thời gian ở Anh, Litvinenko tiếp tục tố cáo Putin với đủ thứ tội danh. Trong một cuốn sách do ông viết, Litvinenko cho biết cơ quan tình báo FSB (trước đây là KGB) đã tiến hành một loạt đánh bom vào các khu chung cư chống lại nhóm người Chechen đòi li khai khỏi liên bang Nga, để Putin sử dụng làm cái cớ xâm lăng Chechnya. Litvinenko còn điều tra cái chết của phóng viên Anna Politkovskaya, người phê phán chính sách của Putin một cách nặng nề. Năm 2007, Kremlin tố cáo Litvinenko phản bội, đã tiết lộ thông tin mật của Nga cho tình báo Anh, và chỉ tội danh đó cũng đủ để kết án tử hình ông dù ông sống ngoài nước Nga.

Cái chết của Litvinenko bắt đầu từ ngày 1/11/2006, khi ông đi ăn tối cùng hai người đồng nghiệp tình báo cũ và nay là doanh nhân Dmitry Kovtun và Andrei Lugovoi tại khách sạn Millennium. Sau buổi ăn tối định mệnh đó, Litvinenko bị tiêu chảy, ói mửa, và rất mệt trong người. Ngày 3/11/2006 Ông được đưa vào Bệnh viện Barnet ở phía Bắc London, nhưng bác sĩ ở đó không 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 vào ngày 17/11/2006.

Khi nhập viện UCH, tình trạng của Litvinenko càng ngày càng tồi tệ hơn. Da ông còn trắng nhợt hơn màu trắng của 4 bức tường chung quanh phòng bệnh. Đến ngày 22/11/2006, bác sĩ phải đặt ống để ông thở. Trong khi đó, hết cơ phận này đến cơ phận khác (gan, thận, phổi, v.v…) trong người Litvinenko ngưng hoạt động theo từng ngày. Hệ thống miễn dịch cũng suy sụp nhanh chóng, với lượng bạch huyết cầu giảm nhanh như đá rơi từ trên cao xuống đất. Các bác sĩ cố gắng lấy tủy xương để làm xét nghiệm, nhưng họ không cách gì lấy được một mẫu. Các bác sĩ bệnh lí nghi ngờ rằng các tế bào phân chia đã bị đầu độc, nhưng họ không biết chất gì là thủ phạm.

Xét nghiệm Greiger cho ra kết quả âm tính phóng xạ gamma. Cần nói thêm rằng phóng xạ gamma là loại dễ phát hiện nhất. Một khi đã loại trừ khả năng phóng xạ gamma và thallium, các bác sĩ và nhà khoa học nghĩ đến một chất 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 kì 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.

Một trong những chất phát tán phóng xạ alpha mạnh nhất là một isotope (chất đồng vị) có tên là polonium-210 (84 protons và 126 neutrons) , thường được sản xuất để dùng trong các dụng cụ chống tĩnh (antistatic). Isotope này trở thành một tâm điểm điều tra và phân tích của AWE. Tuy nhiên, các phân tích này chẳng giúp ích gì cho bệnh nhân vì Litvinenko đang chết dần trên giường bệnh. Đến ngày 23/11/2006 thì AWE khẳng định Litvinenko bị nhiễm phóng xạ polonium-210. Litvinenko chết chỉ vài giờ sau khi chẩn đoán được xác định, và ông không bao giờ biết được mình chết vì chất gì.

Giới vật lí hạt nhân gọi polonium là “Terminator” (kẻ kết liễu), không chỉ vì nó là một là chất đầu độc cực kì hữu hiệu, mà còn là một nguyên tố được sản xuất trong một qui trình có lên là “neutron capture”. Là một nguyên tố, polonium có thể tìm thấy trong vỏ trái đất như là một phó sản của sự phân rả uranium-238, và chiếm khoảng 1% tổng số liều lượng mà con người tiếp nhận phóng xạ hàng năm. Liều lượng polonium mà Litvinenko bị nhiễm chỉ bằng một đầu cây kim nhỏ. Chỉ có khoảng 100 g được sản xuất mỗi năm, và phần lớn là từ Nga.

Không giống như các chất phóng xạ khác, polonium-210 hoàn toàn vô hại nếu như nó không xâm nhập vào cơ thể con người. Nhưng một khi polonium-210 vào cơ thể con người, tia phóng xạ alpha phát tán bởi isotope có thể gây tác hại gấp 20 lần tác hại do phóng xạ gamma (từ thallium) gây ra.

Tia gamma có thể xuyên qua thép, bê tông, và mô con người. Các hạt alpha không thể xâm nhập một tấm giấy hay da con người. Nhưng nếu con người nuốt hay hấp thu tia phóng xạ alpha (qua đường hô hấp), thì tất cả các tế bào trong cơ thể sẽ bị tấn công dữ dội. Hạt alpha sẽ tiêu diệt bất cứ tế bào nào bị phơi nhiễm.

Cảnh sát nghi ngờ rằng Litvinenko bị đầu độc tại khách sạn Millennium vào ngày 1/11/2006, và polonium có lẽ đã được hòa tan trong một chất lỏng không có mùi vị, rồi pha với trà hay cà phê, trong thời gian ông ta tiếp bạn cũ. Polonium-210 xâm nhập vào hệ thống tiêu hóa, và từ đó lan sang máu và khắp cơ thể, tiêu diệt các tế bào phân chia nhanh như tóc, da, bao tử, xương tủy. Có thể Litvinenko đã bị đầu độc với một liều lượng lớn (khoảng 1 đến 10 gigabecquerels – một gigabecquerel bằng 1 tỉ hạt alpha phát tán trong 1 giây) hơn là liều lượng cần thiết để giết một con người. Mười gigabecquerel là liều lượng tối đa có thể phóng ra 10 tỉ hạt alpha trong 1 giây. Với liều lượng này, Litvinenko không có hi vọng sống sót. Litvinenko là người đầu tiên trong lịch sử hiện đại bị ám sát bằng polonium-210.

Hai doanh nhân gặp Litvinenko từ chối rằng họ chẳng dính dáng vào cái chết của Litvinenko. Tuy nhiên, dấu vết phóng xạ được tìm thấy tại những nơi mà hai người này từng đi qua hay từng lưu trú. Ngay cả cửa phòng khách sạn, bàn ghế họ từng ngồi cũng có dấu vết phóng xạ polonium-210. Những nơi Litvinenko từng đi qua (như ghế máy bay, ghế xe bus, ghế xe taxi, ghế xem bóng đá, văn phòng làm việc, v.v…) cũng nhiễm phóng xạ. Ngay cả đến nay, một số khách không thể đặt một số phòng khách sạn vì vẫn còn nhiễm phóng xạ polonium-210. Các giới chức y tế Anh cũng xét nghiệm hàng trăm người tình nghi bị nhiễm phóng xạ, và đến nay họ phát hiện 17 người có kết quả dương tính cho polonium-210.

Khi Liên Xô cũ bị tan rã, người ra rất quan ngại đến những vũ khí tàn phá hàng loạt, những vũ khí giết người như polonium-210 mà Liên Xô từng sở hữu sẽ lọt vào tay của mấy tên khủng bố, nhưng cho đến nay chẳng ai biết số phận của những vũ khí đó ra sao và ai đang sở hữu chúng.

Giới y tế phương Tây thường đùa rằng chẳng biết y khoa Nga khá cỡ nào trong việc cứu người, nhưng rõ ràng trong kĩ nghệ giết người thì y khoa Nga thuộc vào hạng vô địch. Vụ ám sát Litvinenko được giới báo chí và khoa học xem là vụ ám sát đầu tiên của thế kỉ 21, vì lần đầu tiên một chất như polonium-210 được sử dụng để giết người một cách hoàn hảo và làm ngẩn ngơ thế giới y khoa phương Tây.