Има съмнения, че бившият приближен на Сталин е отровен. Като мотив някои съветски изследователи посочват неодобрените от Москва контакти между Георги Димитров и югославския лидер Тито, който по това време вече е ненавиждан от Сталин.

За да съхранява балсамираното тяло на комунистическия ръководител, още на 3 юли 1949 г. Министерският съвет на България решава да му се построи мавзолей. Той е издигнат за рекордния срок от шест дни, през което време тялото е превозено от Съветския съюз до София. Тялото на Георги Димитров е поставено в специално разработен саркофаг. То е подложено на балсамация и съхранявано, без да бъде излагано на прякото въздействие на светлината. Така практически е вечно.

Самият саркофаг е с армирани стъкла и реално е херметически затворена камера. В него се поддържала температура 17 градуса. Tемпературата се е постигала с помощта на супер модерна за времето си електронно следена климатична инсталация.

Мавзолеят със саркогафа в него става център на култа към Георги Димитров като "вожд и учител на българския народ" и част от държавния церемониал. Там по протокол чуждестранните делегации полагат венци при посещение в страната, а партийно-държавното ръководство от трибуната му приема манифестациите и парадите на официалните празници.

Тялото на Георги Димитров е извадено от мавзолея и погребано веднага след промените от 1989 г. На 2 юли 1999 г. мавзолеят е взривен. Събарянето му отнема повече време, колкото построяването му.