В 1937 г. Седов жил особенно напряженной жизнью. Он проводил большую работу по сбору материалов для комиссии по расследованию московских процессов (комиссии Дьюи), отвечал на сотни писем и встречался с множеством оппозиционеров из разных стран. Ему удалось многое сделать для разоблачения убийц Райсса и для спасения Кривицкого от преследовавших его убийц из НКВД. В последние месяцы своей жизни он собирал материалы для картотеки зарубежных агентов ГПУ-НКВД. В письмах к отцу Седов не раз сообщал, что чувствует за собой неослабную слежку. Такая слежка действительно велась с 1935 г. боевиками группы Эфрона, которые следовали за ним буквально по пятам. Седова планировали убить на вокзале города Мюлуза, куда он собирался выехать на встречу с адвокатом, участвовавшим в расследовании московских процессов. Тогда он избежал гибели только потому, что накануне поездки заболел и не смог выехать из Парижа. Друзья Седова не раз писали Троцкому, что его сын подвергается в Париже серьезной опасности, и настаивали на его переезде в Мексику. Признавая возможность покушения, Седов считал свою работу в Париже слишком важной, чтобы ее можно было прекратить. В начале 1937 г. Седов опубликовал во французском журнале «Confession» статью, в которой заявлял, что обладает отличным здоровьем и не склонен к депрессии и самоубийству. Он предупреждал, что в случае его внезапной смерти виновников надо будет искать в лагере сталинистов (95).
В ноябре 1937 г. агент НКВД Зборовский доносил, что Седов, опасаясь внезапного покушения, составил завещание, в котором указал, где хранится его архив (96). В последнем письме Троцкому, отправленном 4 февраля 1938 г., Седов не сообщал о каких-либо признаках заболевания и рассказывал о своей активной деятельности в связи с предстоящим процессом по делу об убийстве Райсса (97). Болезнь Седова началась 10 февраля. В целях обеспечения безопасности его под именем французского инженера Мартэна поместили в частную клинику, принадлежавшую русскому эмигранту. (Во французской больнице при госпитализации необходимо было предъявить паспорт и тем самым раскрыть его настоящее имя.) Невестка Троцкого Жанна Молинье настаивала, чтобы о болезни и местонахождении Седова не сообщалось даже его близким товарищам. Однако, как вскоре стало известно, агент НКВД Зборовский, посещавший больного, «конфиденциально» сообщил об этом некоторым французским троцкистам.
Седову была сделана операция аппендицита, после которой на протяжении четырех дней наблюдалось явное улучшение его здоровья. Однако на пятую ночь Седов, находясь в бредовом состоянии, бродил без присмотра по коридорам больницы, а через сутки умер. В некрологе Троцкий возложил всю ответственность за его смерть на НКВД. Считая весьма вероятным отравление сына, Троцкий подчеркивал, что в распоряжении ГПУ имеются исключительные научные и технические средства, которые могут крайне затруднить работу судебно-медицинской экспертизы. Тайны искусства отравления, усовершенствованного в связи с развитием военной химии, «недоступны, правда, простым смертным. Но отравителям ГПУ доступно все» (98).
Аргументы Троцкого об отравлении Седова подкрепили прозвучавшие на третьем Московском процессе сообщения о специальной лаборатории по испытанию новейших ядов, которая находилась в распоряжении Ягоды, и о применении московскими врачами ядов для убийства больных методами, которые не поддаются контролю. «С точки зрения интересующего нас вопроса, — подчеркивал Троцкий, — почти безразлично, были ли в данных конкретных случаях показания подсудимых правдивы или ложны. Достаточно того, что тайные методы отравления, заражения, содействия простуде и вообще ускорения смерти официально включены в арсенал ГПУ». 19 июля 1938 г. Троцкий направил письмо следователю, занимавшемуся расследованием причин смерти Седова. В нем он заявлял, что версия следствия о естественном характере вызывает сомнения уже потому, что «в течение долгого времени, особенно же последних двух лет, Седов жил в обстановке постоянной блокады со стороны шайки ГПУ, которая на территории Парижа распоряжается почти с такой же свободой, как в Москве». Поэтому гибель Седова следует рассматривать не как обычный случай, а как неожиданную даже для врачей «смерть одинокого изгнанника после долгого единоборства между ним и могущественным государственным аппаратом, вооруженным неисчерпаемыми материальными, техническими и научными средствами... Дело идет о совершенно определенной международной шайке, которая совершает уже не первое преступление на территории Франции, пользуясь и прикрываясь дружественными дипломатическими отношениями» (99). В этом Троцкий усматривал причину того, что расследование причин смерти Седова на протяжении пяти месяцев не привело ни к каким результатам, подобно расследованию кражи его архивов и попытки убить Седова в Мюлузе.