Литвиненко неоднократно утверждал, что на него готовится покушение. Так, выступая 17 августа 2006 года на радио «Свобода», он заявил: «Я знаю, что они хотят нас начать убивать, чтобы заткнуть нам рот, они могут и “Вымпел” подключить, “Альфу”, уголовников, кого хотят. Страна, понимаете, скатилась до уголовщины. Те, кто сидят в Кремле и руководят государством, они говорят на блатном жаргоне. Поэтому меня мало волнует, кого они пришлют убивать. Я вам скажу одно — они присылали людей, чтобы нас убивать. Эти люди бегут к нам, они просят у нас деньги в обмен на эту информацию. Если раньше, когда они убивали людей, они прикрывались коммунистической идеологией, то когда страна развалилась в 91 году, они стали заниматься обыкновенным бандитизмом. А сегодня они опустились, после того как началась война в Чечне, они опустились до военных преступлений, они опустились до терроризма. Поэтому я лично особо не переживаю, кого они пришлют. Я вам скажу, если они меня слушают, пусть они знают: я для своей защиты не нанимаю телохранителей, я не прячусь по разным квартирам, как они говорят — бегающий подполковник или убегающий. Я никогда ни от кого не убегал, я легально выехал из России по своему паспорту, живу открыто, все журналисты могут меня найти, знают, где я живу. Так вот, господа, если вы приедете убивать меня лично в Великобританию, то вам это придется сделать открыто». Также Березовский после смерти Литвиненко утверждал, что тот говорил ему, что ФСБ неизбежно должна его убить, в частности потому, что он «прикоснулся» к коррупционным тайнам Путина и его окружения и вместе с испанской полицией занимался вопросом о приобретении Путиным недвижимости в Испании на нелегально нажитые средства.
12 октября 2006 года Литвиненко получил британское подданство и новое имя Эдвин Картер, чтобы с соответствующим паспортом совершать зарубежные поездки. 1 ноября того же года в 14 часов Александр Литвиненко встретился в суши-баре «Itsu» в Лондоне с исследователем истории спецслужб итальянцем Марио Скарамеллой, бывшим консультантом действовавшей в 2002–2006 годах итальянской парламентской комиссии, расследовавшей деятельность советских спецслужб в Италии в период холодной войны. Скарамелла обещал предоставить ему информацию по убийству Анны Политковской. Литвиненко подтвердил, что получил от Скарамеллы «несколько страниц на английском языке», которые даже не успел толком посмотреть до отравления. Итальянец заявил, что передал бывшему сотруднику ФСБ распечатки полученных по электронной почте писем с угрозами как ему самому, Скарамелле, так и Литвиненко, исходившими от «группы киллеров из Санкт-Петербурга», будто бы убивших журналистку Анну Политковскую и собиравшихся устранить Литвиненко и Скарамеллу. Во время встречи в суши-баре итальянец вел себя нервно, ничего не ел и пил только воду. Затем Литвиненко ненадолго зашёл в офис Бориса Березовского, чтобы распечатать документы. В 16 часов Александр Вальтерович встретился в гостинице «Millennium Hotel» со своим знакомым, предпринимателем Андреем Луговым — бывшим сотрудником Главного управления охраны РФ, бывшим главой службы безопасности телеканала ОРТ и бывшим охранником Березовского. На встрече в баре гостиницы присутствовали также два деловых партнёра и приятеля Лугового — российский бизнесмен Дмитрий Ковтун, живший в Германии, и Вячеслав (Владимир) Соколенко, который отрицал факт участия в переговорах, но признал «случайную» встречу с Литвиненко. По утверждению Лугового, в Лондон он прилетел на футбольный матч между ЦСКА и «Арсеналом», который должен был состояться 1 ноября. Он договорился по телефону увидеться с Литвиненко утром того же дня.
Александр Гольдфарб так характеризовал Лугового в интервью 2010 года: «Луговой был верный слуга. Только не Березовского, а Бадри Патаркацишвили, потому что в их совместном бизнесе Березовский был идеологом, а Бадри — управляющим, и за безопасность отвечал Бадри, а Луговой был руководителем службы безопасности ОРТ. Березовский — человек многогранный. В его окружении есть люди всех сортов — начиная чистейшими людьми и кончая чекистами и бандитами. Мне никогда не нравились бывшие кагэбэшники. Я и к Саше поначалу очень настороженно относился. Но тем не менее Луговой мне нравился. Он был симпатичный, веселый и абсолютно лояльный. Нормальный, высокопрофессиональный начальник охраны. Поэтому ему доверяли. Бадри не верил, что Луговой сам пошел на убийство. Он говорил, что если это и так, то Луговой это сделал не от хорошей жизни, что его вынудили и что делал он это без всякого энтузиазма. Он был уверен, что его или заставили, или использовали втемную. Не зная, какие у англичан есть улики против Лугового, спорить с этим мнением трудно. Я, как и Бадри, не верю, что он все время стучал, писал доносы. Просто, видимо, его вызвали и сказали: либо — либо. И ему ничего не оставалось делать. Хотя есть и другая точка зрения, противоположная. Это точка зрения Глушкова (Бывшего заместителя гендиректора “Аэрофлота”, близкого к Березовскому и ставшего жертвой убийства. — Б.С.). Глушков на слова Бадри о том, что Андрея, наверное, заставили, отвечал, что на нем пробы ставить негде, что он всегда был провокатором, что побег он подстроил, нигде он не сидел и с самого начала был такой-сякой. Эти два человека, которые очень близки к Березовскому, так и остались каждый при своем мнении».
Сейчас нельзя достоверно установить, когда именно Луговой стал сотрудничать с ФСБ — с самого начала своей работы на Березовского или только в последние годы перед убийством Литвиненко. Но в любом случае профессиональным киллером он не был, и убить Литвиненко ему поручили только потому, что он был вхож в близкий круг Березовского. Поэтому он при всем желании не мог бы рассказать о каких-либо секретных миссиях российских спецслужб за рубежом, даже если бы хотел. А подробности убийства Литвиненко и так были хорошо известны и широко цитировались в мировой прессе, даже без показаний Лугового. Поэтому в Кремле, назло британцам, решили сделать из бывшего начальника службы безопасности ОРТ публичную персону и даже депутата Государственной Думы от ЛДПР. Отравителям Скрипалей, о которых пойдет речь в одной из следующих глав, вряд ли грозит столь завидная участь.
Вечером того же дня, 1 ноября, Литвиненко почувствовал себя плохо. Он заподозрил пищевое отравление и промыл желудок, а затем был доставлен в больницу района Барнет. Там заподозрили отравление таллием — высокотоксичным ядом, который сложно идентифицировать и ещё сложнее вывести из организма. Таллий в первую очередь поражает нервную систему человека, печень и почки и часто ведет к летальному исходу. Лечащий врач Литвиненко заявил, что речь идёт об умышленном отравлении.
17 ноября больного перевели в Лондонскую Университетскую больницу и выставили у палаты вооруженную охрану. 21 ноября была выдвинута версия об отравлении радиоактивным быстрораспадающимся веществом. К тому времени появились все признаки радиоактивного отравления: у больного было нарушено функционирование костного мозга, который не производил достаточно лейкоцитов для поддержания иммунной системы организма. Высказывалось предположение, что он отравлен каким-то радиоактивным соединением таллия. Шансы Литвиненко на выживание оценивались 50 на 50. За три часа до смерти, последовавшей 23 ноября, в моче пациента были обнаружены следы полония. В 21:21 по Гринвичу 23 ноября Александр Литвиненко скончался от острой сердечной недостаточности. Полиция констатировала смерть «от необъяснимых причин». 22 ноября, по словам одного из лидеров чеченских сепаратистов Ахмеда Закаева, Литвиненко в госпитале принял ислам. Это подтвердила и вдова Литвиненко Марина, заявившая что Литвиненко и она были очень дружны с семьей Ахмеда Закаева, которая жила рядом, и «незадолго до смерти он завел разговор о Боге с Ахмедом Закаевым». По словам Марины, Литвиненко не знал, что скоро умрет, но обмолвился, что хотел бы, чтобы когда-то, когда он умрет, его похоронили в Чечне. Ахмед сказал, что тогда ему нужно обратиться в ислам». Пригласили имама, и Александр принял ислам, хотя в детстве был крещен в православной церкви. Сын Анатолий в своих показаниях в британском суде в 2015 году подтвердил, что отец, выросший на Северном Кавказе, питал самые теплые чувства к Чечне.
24 ноября учёные из Британского агентства здравоохранения (БАЗ) заявили, что Литвиненко умер от радиоактивного заражения. Согласно заявлению главы центра БАЗ по радиационным, химическим и внешним рискам Роджера Кокса, за три часа до смерти в анализах мочи были обнаружены следы радиации, вызванной, как предполагается, полонием-210 (Po-210). Если бы этого не удалось сделать при жизни, то тайна отравления Литвиненко вряд ли была бы раскрыта, так как посмертно шансов обнаружить следы полония-210 в организме практически нет. Роджер Кокс также заявил, что в малых дозах Po-210 увеличивает риск заболевания злокачественными новообразованиями, а в больших количествах нарушает деятельность костного мозга, пищеварительной системы и других жизненно важных органов. 7 декабря 2006 года Литвиненко был похоронен в закрытом саркофаге на Хайгейтском кладбище Лондона. Заметим, что никакие мусульманские ритуалы при этом не использовались. БАЗ исследовало возможные риски для людей, контактировавших с Литвиненко, включая медперсонал, и признало их несущественными, поскольку отравление полонием-210 происходит только при приеме его внутрь.
Марио Скарамелла, на которого пало подозрение, категорически отрицал свою причастность к отравлению Литвиненко. Подозрение с него было снято после того, как никаких следов радиации на столике, за которым они сидели с Литвиненко 1 ноября в суши-баре «Itsu», обнаружено не было. 7 декабря Олег Гордиевский, бывший резидент КГБ в Дании и Великобритании, сотрудничавший с британской разведкой и успешно бежавший на Запад из Москвы в 1985 году, назвал ложью заявления Литвиненко и Скарамеллы о связях премьер-министра Италии Романо Проди с КГБ. Как считает Гордиевский, «Скарамелла во что бы то ни стало хотел заполучить голову Проди», чтобы угодить его политическому сопернику Сильвио Берлускони, и находившийся в трудном материальном положении Литвиненко сказал Скарамелле то, что тот хотел услышать. По мнению Гордиевского, Литвиненко сделал это, «рассчитывая получить какие-то выгоды в будущем».