1970年7月，陈毅经常腹泻，腹部隐痛，医生给他吃止痛片，却多日毫无效果。这年8月底，陈毅本想住院治病，但中央通知他到庐山参加党的九届二中全会，他只好将治病之事暂时放了下来。
10月21日，陈毅回到北京后，马上给解放军总医院副院长兼三部主任曹根慧打电话，要求住院治疗。当时解放军总医院南楼五病室住着朱德、聂荣臻等5人，六病室只住着黄永胜一人，还有4张空床位，曹根慧却回复陈毅：没有床位，等候通知。
原来黄永胜听说陈毅要来住院，竟生气地说：“他来吧，他来我就走！”黄永胜都说了这样的话，医院负责人哪还敢再收留陈毅？直到黄永胜出院后，陈毅才在10月26日住进了医院六病室。
陈毅住院的第二天，李作鹏也来到六病室住院。一天晚上，吴法宪和邱会作来到医院与李作鹏密谈，邱会作说：“陈毅这个人，一贯反对毛主席。”
吴法宪说：“这些大家都知道，他从井冈山反对毛主席一直反到现在，老毛病改不了。”
邱会作说：“现在外交部有些群众还不放他，他不敢回去，又躲在这里来了。”
李作鹏说：“是的，是的。我看陈毅这次住院是有意到总院来避风的。”
在场的曹根慧听了这些话以后，马上向医院院长靳来川进行了汇报，靳来川听后说：“南楼三层那几个病人（指聂荣臻、陈毅、李富春）常在一起谈话。这些人都是’二月逆流‘的黑干将，过去他们在医院搞了许多名堂，陈毅是住中南海里面与西山的联络人，两边传来传去，常在医院联系，你要了解他们在一起谈些什么，有什么问题立即告诉我。”
曹根慧回去以后，马上安排护士监视陈毅。有一次，一名护士发现陈毅在看小说，就向曹根慧报告了。后来陈毅做理疗时，曹根慧趁机搜查了他的床位，把小说从枕头旁边翻了出来。
陈毅一共在医院住了56天，他的病情不仅没有好转，反而加重了。这段日子里，靳来川、曹根慧对陈毅的病情漠不关心，未组织过一次集体会诊。相反，黄永胜小病大养住院18天，靳来川组织了大小会诊16次。
1970年12月21日，医生对陈毅的妻子张茜说：“陈老总身体检查不出什么，可以出院。”第二天，陈毅出院后，医院却在他的病历上写道：“病人自己要求出院。”
1971年1月16日上午8点，陈毅突然感到右下腹疼痛，不得不再次住进了解放军总医院，接诊医生在病历上写道：
右下腹隐痛一周，不腹泻，不发烧，大便每天一次，黄软成形，右下腹可触及拳头大小之包块，有压痛，无反跳痛。
当天晚上6点15分，医院开始为陈毅进行手术。医生们原以为这只是个小手术，但当他们打开陈毅的腹腔后，才发现那个硬块竟是一个胀得鼓鼓的“大便包”，这明显是一处结肠癌！它像一个箍，紧紧地卡住了那截肠子，排泄物到了这里过不去，便形成了一个大包。面对这种“意外”，医生们只好临时改变了手术方案，拉大刀口，切除了肠子的癌变部分。这次手术最终用了5个多小时。
陈毅的手术结束后，曹根慧担心上级追查他误诊的责任，便写了一份不足100字的检查报告，上报给了邱会作。邱会作看后却冷笑着说：“陈老总手术发现癌是好事，你们有什么错误？陈老总要长瘤子，你能让他不长吗？”
最后邱会作在曹根慧的检查报告上做出批示：“暂不要写报告，以后需要写时，再研究。”后来直到陈毅逝世，医院的负责人也没有向中央交出一个字的检查。
6月9日，医院给陈毅拍了片子，怀疑已经有肺转移了。6月22日，靳来川和曹根慧去总后勤部听报告，碰到了邱会作的妻子胡敏，胡敏对他们说：“林副主席叫你们去看电影。”这天晚上，靳来川和曹根慧来到了林彪的家里。
林彪一见靳来川和曹根慧，就阴阳怪气地说：“你们说陈毅得了癌症，我看他不像一个病人，长得很胖。”
叶群又接过话说：“你们医院的工作做得好，给陈毅同志开刀开得很及时，开得很好。”
后来在周恩来的关心下，陈毅住进了日坛医院，经过一段时间的放射治疗，他的病情趋于稳定。但自从11月16日起，陈毅的病情突然恶化，不仅经常呕吐，而且不能进食，医院只能再次为他进行手术。第二次手术后，陈毅的病情不仅未能得到控制，反而日益加重，完全依靠管子输液来维持生命。
有一天，陈毅的秘书杜易来病房看他。杜易见陈毅身上插了4根管子，而且正在输液，仰卧着不能动弹，他的心头为之一酸，泪水忍不住外流。陈毅却笑着说：“你看，我现在已经实现管道化了，不能直接吃东西，只好通过管子赴宴，世界上竟有这么长的宴会，我已经吃了16个小时了！”
1972年1月6日凌晨，陈毅开始处于昏迷状态，医生们在他的鼻孔里插入了输气管，以维持心脏跳动。
这天下午4点49分，叶剑英和李先念来到病房看望陈毅。叶剑英掏出一张纸条，说是来传达毛泽东的指示，他念道：“现在再也不要讲‘二月逆流’了。当时那个情况，有些同志要讲一些话，是应该的，在党的会议上，为什么不可以讲？有些事情看来过了几年就清楚了。”叶剑英念完后，又对陈毅说：“毛主席、党中央要我来看你，要你安心养病，会好的。”
陈毅听后却没有什么反应，此时不知是谁说了一句：“他听见了，心动了一动。”叶剑英便把条子交给了陈毅的女儿陈珊珊，要她在父亲的耳边再念一遍，陈珊珊念完后，陈毅依然毫无反应。
1972年1月6日深夜11时55分，陈毅的心脏停止了跳动，享年71岁。