Das radioaktive Schwermetall Polonium gelangt normalerweise über Nase, Mund oder Hautwunden in den Körper - zum Beispiel als Staub mit der Atmung in die Lunge. Im Fall Litwinenko soll es über das Essen (in einem Sushi-Restaurant in London) über den Darm aufgenommen worden sein. In beiden Fällen ist die Alphastrahlung des Schwermetalls in direktem Kontakt mit Körperzellen besonders gefährlich.

Polonium-210 lagert sich direkt an die Körperzellen der Organe an. Selbst eine geringe Strahlung reicht aus, um diese nur 0,01 Millimeter großen Körperzellen zu zerstören. Dabei zerschmettert die Alphastrahlung Biomoleküle in den Zellen, beispielsweise Proteine, die als Enzyme den Stoffwechsel unterhalten, aber auch die Erbsubstanz DNA.

Besonders intensiv werden Organe wie Lunge, Leber, Nieren oder Darm betroffen. Sie zerfallen nach einiger Zeit - und der Mensch stirbt auf besonders qualvolle Art und Weise.