이 때 김정남의 뒤로 검은 옷을 입은인도네시아여성시티 아이샤(25)와 흰 옷을 입은베트남여성도안 티 흐엉(29)이 다가왔는데 오전 9시 23분 시티 아이샤가 먼저 김정남 앞에 서서 얼굴에 로션 같은 액체를 바르고 뒤이어 뒤에서 도안 티 흐엉이 다시 다른 액체를 발랐다. 이 때 바른 액체가 바로화학무기로 자주 활용되는VX인데 좀 더 정확히는 두 물질을 합쳐서 VX 가스가 생성되는 VX2라는 화학무기를 두 용의자가 한 물질씩 김정남의 얼굴에 바른 것이다.

이후 김정남은 엄청난 고통을 느꼈고 의식은 남아 있었기 때문에 발권기 근처의 안내창구로 가서 자신이 습격당했다는 사실과 매우 고통스럽다고 호소하며 도움을 요청했으며 공항 직원들은 김정남을 의무실로 데려갔고 이 때까지 김정남은 스스로 걸어서 의무실에 갈 수 있을 정도의 의식이 있었지만 의무실에서 완전히 의식을 잃어버렸다. 이후 김정남의 위독함을 파악한 공항 직원들은 김정남을 푸트라자야 병원으로 이송했지만 김정남은 결국 이송 도중 구급차에서 사망한다.

처음에는 살해 방법도 정확하지 않아서 스프레이, 독침 등 여러 추측이 있었고 독극물도북한의 독침 암살에 사용되던 브롬화네오스티그민,시안화칼륨,테트로도톡신등 다양한 의견이 나왔다. 이런 추측이 나온 이유는아무리 북한이 막나가는 집단이라도김정남 하나 죽이려고 단순 독극물이 아니라 화학무기로 사용될 정도로 확산성이 강한 VX 가스를, 그것도 매일 수십만 명의 사람들이 오가는 거대 국제공항에서 사용할 것이라고는 추측하기는 어려웠기 때문이다.​