В организме Ющенко были обнаружены химические вещества, которые обычно не содержатся в продуктах питания. В частности, группа американских врачей нашла в его крови высокотоксичный диоксин. Было известно, что с этим веществом еще несколько лет назад успешно работала одна из российских секретных лабораторий.
21 сентября генпрокуратура Украины возбудила уголовное дело по факту отравления Ющенко. Подозреваемыми считались Владимир Сацюк, Тарас Залесский и Алексей Полетуха. Последний был старым знакомым Сацюка и работал вместе с ним в коммерческих структурах до назначения Сацюка заместителем директора СБУ. В 2001 г. Полетуха был объявлен в розыск в связи с финансовыми нарушениями, совершенными им на посту заместителя председателя правления банка "Украина", и покинул территорию страны. Согласно заявлению начальника украинского бюро Интерпола он до сих пор находится в розыске и, возможно, скрывается на территории России. Подозреваемым в деле об отравлении Ющенко он был объявлен потому, что, как предполагается, доставил диоксин для отравления Ющенко из России в Украину.
Сам президент Ющенко неоднократно заявлял, что знает своих отравителей, что диоксин, которым он был отравлен, произведен в России, что ему известно, кто и как переправлял яд в Украину, и что лица, причатные к его отравлению, находятся и скрываются на территории России. "Вы будете свидетелями очень поразительных для вас примеров роли и миссии многих политиков, в том числе и украинских, в моем отравлении", - заявил как-то Ющенко. И на этом остановился. Официально эта информация не была подтверждена, как не было официально объявлено и о подозреваемых.
После сентября 2004 г. было проведено несколько повторных экспертиз. Повторная экспертиза в конце мая 2006 г. вновь подтвердила наличие диоксина в организме Ющенко. Экспертизу провела комиссия из числа украинских специалистов, а также представителей США, Германии и Японии. Они подтвердили предыдущие выводы лабораторий Нидерландов, Германии, Великобритании и Бельгии о том, что в организме Ющенко содержится отравляющее вещество - диоксин.
По прошествии трех лет следствие формально продвинулось не сильно. Ющенко с тех пор делал несколько громких заявлений. В частности, 10 и 11 сентября 2007 г., в годовщину отравления, Ющенко заявил, что российское правительство отказывается выдать ключевых подозреваемых и предоставить улики, необходимые для раскрытия дела, и этим тормозит расследование его отравления диоксином в 2004 г. Украинский лидер сообщил, что яд, которым он был отравлен, производится только в США, Великобритании и России. США и Великобритания свои образцы давно предоставили. Россия же предоставить образцы отказывается. Ющенко еще раз указал, что подозреваемые в участии в его отравлении лица скрываются на территории России.
Уже 12 сентября Генеральная прокуратура Украины заявила, что правоохранительные органы России согласились на исследование российского диоксина. Заместитель руководителя секретариата президента Украины Александр Чалый заметил на это, что Генеральная прокуратура России ответила на ходатайство о проведении экспертизы диоксина российского производства лишь с шестого раза. Первые пять запросов остались без ответа. Было ясно, что Россия испугалась громких разоблачительных заявлений Ющенко, обвинявшего российские правоохранительные органы в соучастии в этом преступлении.
19 марта 2002 г. был отравлен международный террорист саудо-аравийского происхождения, один из руководителей повстанческого движения в Чечне полевой командир Амир Хаттаб. Он был отравлен в Ножай-Юртовском районе Чечни посредством письма. ФСБ России сумела перехватить адресованное ему письмо из Саудовской Аравии и обработала его отравляющим веществом, вызывающим остановку сердца. 11 апреля ФСБ объявило об успешно проведенной операции. Согласно заявлению Центра общественных связей (ЦОС) ФСБ Хаттаб был ликвидирован в результате "тщательно спланированной спецоперации, обстоятельства которой будут рассекречены не ранее чем через 10 лет".
По одной из версий сотрудник дагестанского управления ФСБ офицер М. использовал для операции некоего Ибрагима Магомедова, молодого человека, аварца по национальности, уроженца селения Гимры Унцукульского района Дагестана. Ибрагим был доверенным лицом Хаттаба и выполнял при нем обязанности курьера. Он постоянно выезжал через Азербайджан и Турцию для получения денег и с деньгами возвращался в Чечню. В этом курьеру помогал М. Доверие Ибрагима Магомедова к М. было столь высоко, что последнему удалось обработать переданный для Хаттаба конверт с посланием спецраствором. Через два-три дня после прочтения письма Хаттаб умер. Вскоре пришла информация о том, что чеченскими боевиками был расстрелян житель Дагестана Ибрагим Алаури (он же - Магомедов), который, ни о чем не подозревая, доставил отравленное письмо Хаттабу.
1 июня 2004 г. представитель главы непризнанной Россией чеченской республики Ичкерия Аслана Масхадова в Грузии Хизри Алдамов, его сын и племянник были доставлены в тбилисскую больницу с диагнозом "отравление". В МВД Грузии установили, что машина Алдамовых была обработана отравляющим веществом, содержащим фосфор. Пострадавший утверждал, что его пытались убить по заказу ФСБ России.
Осенью 2004 г. в тюрьме был отравлен неизвестным препаратом приговоренный к девяти годам лишения свободы чеченский боевик Лече Исламов. После вынесения приговора, но перед отправкой в зону с Исламовым в тюрьме встретились трое представителей ФСБ, предложили сотрудничество и угостили чаем и бутербродами. Исламов сотрудничать с ФСБ отказался. Вскоре после этого разговора здоровье Исламова внезапно и резко ухудшилось. Тело покраснело, начала шелушиться и слезать кожа, поднялась высокая температура, начали выпадать волосы. Исламов стал стареть на глазах и вскоре скончался.
В начале августа 2007 г. неизвестным ядом был отравлен в Москве 50-летний первый секретарь Западного окружкома КПРФ Павел Басанец, отец четверых детей. Басанец окончил Высшую Краснознаменную школу КГБ СССР им. Дзержинского, 10 лет служил во внешней разведке, в том числе был резидентом в Дрездене в те годы, когда там работал Путин. Свободно владел китайским, английским, индонезийским и малайским языками. 15 лет занимался боевыми единоборствами, имел коричневый пояс по карате. В 1991 г. не вышел из компартии, занимался партийной и общественной работой. В частности, был сопредседателем Комитета защиты прав граждан и членом Совета ветеранов труда, войны и правоохранительных органов. По политическим взглядам его следует отнести к сталинистам.
7 декабря 2006 г. на собрании, проходившем в здании ФСБ на Лубянке и посвященном 86-й годовщине образования внешней разведки, он выступил с резкой критикой Путина, назвав его предателем России, собственного народа и офицерской чести.
Реакция последовала незамедлительно. Басанец стал получать угрозы. Запугивали и его, и его детей. Коммунисты попытались исключить Басанца из своих рядов. Но исключение не прошло, хотя было предпринято шесть попыток. За Басанца заступились некоторые влиятельные коммунисты, в том числе члены Государственной думы.