Ngày 10 tháng 9 năm 2014, báo RFA theo tin một bác sĩ cho biết ông Thanh đã bị "bị nhiễm phóng xạ và cần phải ghép tủy", vì vậy phải sang một bệnh viện ở Hoa Kỳ điều trị. Tại bệnh viện của Hoa Kỳ cũng đưa ra kết quả chẩn đoán trùng khớp với chẩn đoán của bệnh viện C Đà Nẵng là nhiễm độc phóng xạ
Theo chẩn đoán, ông Thanh bị suy tủy, không sản sinh được hồng cầu và tiểu cầu, trong đó tiểu cầu giảm mạnh nên phải truyền máu liên tục.
Ngày 30 tháng 10 năm 2014, theo thông báo của Phó ban Nội
chinh tri Trung ương Nguyễn Doãn Khánh, ông Nguyễn Bá Thanh, mặc dù nằm bệnh viện ở nước ngoài, vẫn điều hành công việc thông qua thư ký và liên lạc qua điện thoại.
Ngày 29 tháng 12 năm 2014, báo Tuổi trẻ đưa tin: Ông Trần Thọ Bí thư Thành ủy Đà Nẵng xác nhận: ông Nguyễn Bá Thanh vẫn sống và đang được chữa bệnh tại Mỹ. Tuy vậy “mấy hôm nay mọi liên lạc với người nhà của ông (hiện đang ở Mỹ) đã không kết nối được”.
Sáng 5 tháng 1 năm 2015, gia đình ông Nguyễn Bá Thanh đã thu xếp đưa ông từ Mỹ về Đà Nẵng để dưỡng bệnh. Dự kiến máy bay đưa ông Thanh và con trai ông, Nguyễn Bá Cảnh sẽ về đến Đà Nẵng vào chiều 6 tháng 1 năm 2015. Thành ủy Đà Nẵng đã có cuộc họp với Sở Y tế để chuẩn bị các phương án đón ông Nguyễn Bá Thanh về điều trị. Giám đốc Sở Y tế khẳng định nơi chữa trị cho ông Thanh sẽ là khoa Ung bướu của Bệnh viện Đà Nẵng.
Ngày 6 tháng 1 năm 2015, theo báo Tuổi trẻ, đến 17g ngày 6 tháng 1, máy bay chở ông Nguyễn Bá Thanh vẫn chưa thể cất cánh rời sân bay ở Seattle (Washington) nên chưa thể về Việt Nam theo kế hoạch đã định. Chuyến bay bị hoãn lại với lý do thời tiết xấu.
Giáo sư Phạm Gia Khải - thành viên Ban Bảo vệ, chăm sóc
suc khoe Trung ương cho biết các chuyên gia sẽ hội chẩn cho ông Nguyễn Bá Thanh vào ngày 8 tháng 1. Phác đồ điều trị cho ông Nguyễn Bá Thanh với bệnh về máu ác tính mà các bác sĩ ở trong nước áp dụng cũng giống như của các bác sĩ Mỹ: tiêu diệt tủy để sau đó tủy tự phát triển lại. Giáo sư Khải cũng khẳng định tin đồn "ông Thanh bị đầu độc" chỉ là xuyên tạc: "Chưa có bằng chứng nào chứng minh ông Thanh bị đầu độc bằng hoá chất hay chất độc. Việc xét nghiệm máu, nước tiểu có thể thấy được bị đầu độc hay không. Bệnh máu ác tính này tuổi nào cũng có thể mắc."
Ngày 6 tháng 1 năm 2015, trả lời phỏng vấn BBC, ông Võ Công Trí, Phó Bí thư Thành ủy Đà Nẵng khẳng định những thông tin ông Thanh bị đầu độc là "không có cơ sở". "Tôi cũng không hiểu lắm vì sao họ đưa ra những thông tin đó vào lúc này. Nhưng cái đó là không có thật, không đủ cơ sở để tin cậy."
Ngày 7 tháng 1 năm 2015, trả lời phỏng vấn BBC, Giáo sư Phạm Gia Khải nhận xét về khả năng phục hồi của ông Nguyễn Bá Thanh: "Tuổi ông đã cao, ngoài 60. Có thể diệt tủy rồi thay tủy, nhưng đối với ông Thanh thì khả năng đó rất khó vì tuổi lớn rồi thì khả năng tủy phục hồi khó lắm."
13h30 ngày 7 tháng 1 năm 2015, Ban Tuyên giáo và Ban bảo vệ sức khỏe trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam đã có cuộc trao đổi với báo chí về tình hình bệnh của ông Thanh. Ông Nguyễn Quốc Triệu, Trưởng Ban Bảo vệ Sức khỏe trung ương cho biết: cho đến 7 giờ 28 phút sáng ngày 7 tháng 1 (giờ Việt Nam) thì vẫn chưa có lịch máy bay đưa ông Thanh lên đường về nước. Bác sĩ Bạch Quốc Khánh thông báo bệnh của ông Thanh là hội chứng rối loạn sinh tuỷ, rất không may mắn là thể này chuyển biến khá nhanh, vì thế các bác sĩ ở Mỹ đã quyết định điều trị hóa chất, tiến tới ghép tủy. Điều trị hóa chất thông thường là hai hoặc ba đợt, ông Thanh đã điều trị ba đợt nghĩa là sức khỏe tốt. Tuy nhiên, do điều kiện ghép tủy chưa đạt nên phải dừng lại và dự định sẽ điều trị nâng cao thể trạng tại Việt Nam. Cũng theo bác sỹ Khánh, nếu được ghép tủy, ông Thanh có thể hết bệnh. Theo giáo sư Phạm Gia Khải, thành viên Ban Sức khỏe Trung ương "Ông Thanh chưa có triệu chứng nhiễm độc ở bất kỳ bộ phận cơ thể nào thì không thể nói là bị nhiễm độc". Phó Ban Tuyên giáo Nguyễn Thế Kỷ phát biểu: "Căn cứ nào nói (ông Thanh) bị đầu độc? Trên mạng có nhiều thông tin xấu độc, chia rẽ nội bộ, tung tin. Phải sàng lọc thông tin, không thể nghe bất kỳ thông tin nào trên mạng. Hoàn toàn không có chuyện đó."
20g30 tối 9 tháng 1 năm 2015, chuyên cơ y tế chở ông Nguyễn Bá Thanh đã tới sân bay Đà Nẵng. 21h cùng ngày, ông Thanh được chuyển tới khoa Ung bướu Bệnh viện Đà nẵng trong sự chào đón của người dân.
