Ông Arafat qua đời vào ngày 11/11/2004 ở tuổi 75 vì một căn bệnh mang tên xuất huyết não, tại Bệnh viện Percy ở Pháp. Ông có những triệu chứng như buồn nôn, nôn, đau bụng và tiêu chảy từ ngày 12/10/2004 ở Ramallah. Không lâu sau đó, sức khỏe của ông giảm sút.
Cái chết bất thường của ông Arafat vào ngày 11.11.2004 để lại rất nhiều nghi vấn. Sau khi ông Sharon, thủ tướng thứ 11 của Israel “cho phép”, nhà lãnh đạo Palestine đã được đưa khẩn cấp đến Bệnh viện quân đội Percy (Paris, Pháp) ngày 29.10.2004 sau hơn 2 tuần trở bệnh đột ngột với các triệu chứng nôn mửa, tiêu chảy, giảm tiểu cầu nặng… Báo mạng Slate dẫn hồ sơ bệnh án của ông Arafat cho biết các bác sĩ Pháp đã thử nhiều biện pháp như nội soi, thử máu, siêu âm nhưng không xác định được nguyên nhân gây bệnh… Ngày 3.11, ông Arafat rơi vào trạng thái hôn mê sâu và qua đời vào ngày 11 tháng 11.
Các chuyên gia Pháp khi ấy không thể kết luận điều gì khiến Arafat không qua khỏi, trong khi nhiều người Palestine cho rằng ông bị đầu độc và thủ phạm là Israel.
Tháng 11/2012, ba nhóm chuyên gia từ Thụy Sĩ, Pháp và Nga - do chính quyền Palestine chỉ định điều tra theo yêu cầu của bà quả phụ Suha Arafat - đã cùng khai quật thi hài của ông Arafat và tiến hành các xét nghiệm riêng để điều tra về nguyên nhân cái chết của cố lãnh đạo Palestine.
Từ đó đến nay có rất nhiều cuộc nghiên cứu về nguyên nhân cái chết của Arafat. Rất nhiều giả thuyết cho rằng ông đã bị Israel đầu độc bằng chất độc Polonium. Được biết, kết quả chính xác về cái chết của ông Arafat sẽ được công bố trong vài ngày tới.
