Offisielt ble dødsårsaken fastsatt til hjerneblødning. En teori er at Stalin ble forgiftet med warfarin av Molotov eller en annen nær medarbeider muligens ved et uhell. Medisinsk gransking av bevisene (publisert i 2019) konkluderer med at han døde av massiv hjerneblødning i venstre hjernehalvdel. Stalin røykte tett og hadde trolig høyt blodtrykk. Han kan ha hatt et lite drypp i 1937. I 1945, under seiersparaden, fikk han et lite slag. Han hadde et lite hjerteinfarkt i 1947 og et stort i 1948 som satte ham ut av spill i et halvt år. Før 1953 hadde han trolig et mindre slag som førte til svekkede kognitive evner, begynnende demens og tiltagende paranoia. Dette kan forklare atferden hans de siste leveårene. I tiden før dødsfallet hadde han vært plaget med svimmelhet og høyt blodtrykk, og hans personlige lege professor Vinogradov hadde anbefalte ham å trekke seg som toppleder av helsegrunner. Vinogradov ble deretter beskyldt for å være involvert i det påståtte legekomplottet.