W maju 1987 roku w krwiobiegu Legasowa wykryto mielocyty, które powinny się znajdować w szpiku kostnym, ale dostały się do krwi, wskazując na ryzyko rozwoju raka. Legasow zgłosił się do szpitala w Moskwie na leczenie choroby popromiennej. W czasie pobytu próbował popełnić samobójstwo, przedawkowując tabletki nasenne. Życie uratowała mu czujność personelu medycznego.

27 kwietnia 1988, dzień po drugiej rocznicy katastrofy w Czarnobylu, został znaleziony powieszony w swoim biurze. Powszechnie przyjmuje się, że popełnił samobójstwo, chociaż niektóre fakty temu przeczą: jego osobisty pistolet nadal leżał w biurku, ale akademik postanowił się powiesić; pętlę zawiązano profesjonalnie i przy użyciu specjalnej liny używanej przez alpinistów; główna część wiadomości samobójczej nagrana na dyktafonie została wymazana. Następnego dnia Legasow miał ogłosić wyniki swojego śledztwa w sprawie przyczyn katastrofyМеждународный патриотический интернет-проект «Герои страны», 2000-2025; w języku rosyjskim;