Litvinyenkót - aki Berezovszkijjal csaknem egy időben, 2000-ben emigrált Londonba - 2006 novemberében, a szervezetébe juttatott hatalmas adag polónium 210-es sugárzó izotóppal ölték meg. A mérgező anyagot a Scotland Yard vizsgálata szerint Litvinyenko teájába csempészték az Egyesült Államok londoni nagykövetségének közvetlen közelében lévő elegáns Millennium Hotel bárjában, ahol a dezertőr exügynök 2006. november 1-jén két másik orosszal találkozott.
Berezovszkij a gyilkosság után nem sokkal, egy londoni sajtótájékoztatón kijelentette, hogy Litvinyenko megölése mögött személyesen Vlagyimir Putyin orosz elnök állt. Nagy-Britannia 2007-ben hivatalosan vádat emelt a fő gyanúsított, Litvinyenko volt ügynöktársa, Andrej Lugovoj ellen, akit nem sokkal később parlamenti képviselőnek választottak hazájában. Lugovoj jelen volt azon a londoni találkozón, amelyen a Scotland Yard vizsgálata szerint Litvinyenkót megmérgezték a sugárzó anyaggal.
Sem az orosz állam, sem Lugovoj nem ismerte el soha felelősségét Litvinyenko haláláért, és Moszkva elzárkózott a gyanúsított kiadatásától. A kiadatás megtagadását diplomaták kölcsönös kiutasítása követte, és a két ország viszonya azóta is fagyos.