22 ноября, когда Литвиненко находился в полубессознательном состоянии от постоянно получаемых наркотиков для обезболивания, Ахмед Закаев, его чеченский друг в Лондоне, неожиданно приехал в больницу вместе с имамом Центральной мечети в Лондоне и заявил, что Литвиненко просил его обеспечить переход из православия в ислам. Жена и отец Литвиненко так же, как и Алекс Гольдфарб, пытались возражать, но Закаев был упрям и сумел осуществить над больным какие-то ритуалы. Больному была зачитана глава из Корана. Британская пресса этот эпизод замалчивала. Однако чеченский сайт в Интернете и другие мусульманские сайты сообщили о нем в тот же день.
Никакого серьезного лечения больного все еще не проводилось. Радиационное поражение пока подозревалось, но не диагностировалось. На гамма-радиацию Литвиненко проверяли еще в прежнем Барнет-госпитале, но с негативным результатом. При лучевой болезни острого типа лечение состоит в частых переливаниях крови и в пересадке костного мозга, обязательно от родственников. В данном случае донорами могли быть прилетевший из России отец и сын Толя, двенадцати лет. Алекс Гольдфарб в последующем писал, что разговоры о возможных пересадках костного мозга уже обсуждались. Последняя стадия лучевой болезни, как правило, сопровождается различными инфекциями из-за прекращения иммунных функций. Исчезают иммунные барьеры для микрофлоры в ротовой и носовой полостях, в кишечнике. Активизируются скрытые вирусы, обычно массивной сыпью на коже. Наиболее подробно все эти симптомы были описаны для жертв Чернобыльской аварии. У Литвиненко этих признаков не было, у него начались перебои в работе сердца. Вечером 22 ноября состояние больного резко ухудшилось и его перевели в отделение интенсивной терапии, где он был подключен к аппарату искусственного дыхания. Под постоянным контролем были и другие органы. Одновременно моча и кровь Литвиненко были направлены на проверку радиоактивности в радиологическое отделение больницы. Проверка показала наличие альфа-радиации. Обычный сцинтилляционный счетчик может определить наличие альфа-радиации, но не способен установить характер радиоактивного изотопа. Для идентификации источника облучения кровь и моча Литвиненко были срочно посланы в научную лабораторию при британском атомном центре в Алдермастоне.
Природу радиоизотопа можно было определить спектральным анализом излучения. Все альфа-источники выбрасывают небольшое количество гамма-импульсов, и отношение альфа- и гамма-импульсов уникально для каждого из них. Данные анализа, которые сообщили в больницу 23 ноября, были совершенно неожиданными — полоний-210. Смертельные отравления этим изотопом были исключительно редкими и только в результате несчастных случаев в атомной промышленности. Большинство данных по токсикологии полония были получены в опытах на животных. Были известны и антидоты, их, в частности, получают рабочие урановых рудников, в воздухе которых концентрация полония значительно повышена. Возможно, что кто-либо в больнице колледжа срочно стал проверять по Интернету данные о полонии. Но было уже поздно. Литвиненко скончался вечером 23 ноября от сердечного приступа, через три часа после информации о полонии.
Информация о смерти Литвиненко появилась на сайте больницы без указания причин. Полиция ввела двухдневный мораторий на сообщения о радиоактивности, чтобы определить уровень радиации и распространенность загрязнений. Идентификация полония не представляет слишком больших трудностей. Однако определение количества полония-210 в организме требует очень сложного и длительного анализа с выделением полония на какую-то металлическую мишень-электрод. Широкая публика узнала о смерти Литвиненко 24 ноября не из сообщений больницы, а из заявления Гольдфарба, который собрал возле больницы срочную пресс-конференцию. Перед множеством телекамер и микрофонов Гольдфарб зачитал «заявление» самого Литвиненко, продиктованное им якобы за два дня до смерти. Русский устный текст заявления не был зафиксирован, но английский вариант никак не был похож на то, что мог сказать умирающий человек. Никто, однако, не имел возможности что-то проверить. Зачитываемое Гольдфарбом «заявление» сразу шло в вечерние программы телевидения. Ответственным за смерть Литвиненко оказывался по тексту лишь один человек, находившийся в данный момент в Финляндии на саммите ЕС — Россия, — президент Владимир Путин.