此時距離史達林發病已過了一天多，醫師趕忙開始診療。他們記錄：「病人背靠沙發，頭偏向左側，雙眼緊閉，面部明顯充血。小便失禁。呼吸紊亂，脈搏每分鐘七十八次，偶見停搏，心音含混。血壓 190/110mmHg。右臂肘關節有挫傷痕跡。患者處於昏迷狀態。無腦膜炎症狀。情況極其危急。」
參與救治的盧科姆斯基教授在日記中補充：「(史達林)右上肢和右下肢完全癱瘓。眼皮抬起時，眼球一會兒左轉，一會兒右轉。左側上下肢時有不安地抽動。」
史達林陷入昏迷，偶爾睜開眼想示意什麼，但無法說話。
很快地，史達林被診斷為「由於高血壓和動脈粥硬化引發左腦半球出血」。三月三日，醫師們彙報認為他「死亡無法避免」，馬林科夫指示盡可能延長生命跡象。五日晚上九時五十分，史達林去世。
事情經過令人匪夷所思。史達林的貼身侍衛機械又木訥，親密戰友們對救治的態度極其消極冷淡，貝利亞尤其詭異。據赫魯雪夫回憶：「史達林剛病倒，貝利亞就毫不掩飾地對他大發怨氣，又是謾罵，又是取笑。簡直叫人聽不下去！不過有趣的是，史達林剛恢復點知覺，貝利亞就撲過去跪在地上，抓住史達林的手不住親吻。」得知「慈父」確實撒手人寰後，貝利亞無意中「透出無法掩飾的興奮」。
斯韋特蘭娜後來說：「父親死得很困難、很可怕……嚴重缺氧。臉色變黑，臉也變形了，臉部輪廓逐漸變得難以辨認，嘴唇發黑，最後的一、兩個小時，他簡直就窒息了。垂死掙扎十分嚇人。大家眼睜睜看著他窒息而死。」
一代梟雄的離奇離世，是否存在疑點呢？
一廂情願的中毒謠言
對史達林之死，不少人認為並非正常死亡― 包括史達林的兒子瓦西里，而且認為是貝利亞下的毒手，理由是史達林生前已有意整肅貝利亞。據說，瓦西里得知父親暴亡後曾歇斯底里地狂叫：「他們害死了我父親！」
根據醫療檔案的紀錄和史達林女兒的回憶，從症狀上看，史達林出現意識障礙、小便失禁、言語功能喪失(按：人的大腦左半球掌控語言表達能力，後來的病理解剖證實史達林的大腦左側有嚴重病變)，「右上肢和右下肢完全癱瘓。」(按：典型的偏癱)「在最後那一刻，他突然睜開眼睛，環顧了一下站在周圍的人。他向上舉起左手，彷彿指著上面某處。」死前能抬高左手說明左上肢活動能力尚可(按：左側肌力由右側大腦神經控制，右側肌力由左側大腦控制，史達林右腦未見病灶)。這些都足以支持腦中風的診斷。
腦中風是指腦血管突然發生急性病變，主要包括兩種：一是出血性，如腦出血、蛛網膜下腔出血；另一是缺血性，如腦血栓形成、腦梗死、血栓脫落造成梗塞。這兩種情況的治療手段並不相同，甚至存在相反的用藥方向。目前主要透過腦部電腦斷層掃描(俗稱CT)或腦部核磁共振才能鑑別，光憑臨床症狀很難定奪。遺憾的是，在史達林的時代，根本就沒有這類影像技術能進行鑑別診斷。
