Al-Mabhouh ditemui mati di Al Bustan Rotana Hotel di Dubai.

The Sunday Times melaporkan bahawa al-Mabhouh dikesan sejak 19 Januari 2010 pada 10:05 berangkat dari Damsyik, Syria ke Dubai menerusi penerbangan Emirates 912. Dikatakan beliau menggunakan pasport palsu. Tetapi pegawai Hamas mempertahankan bahawa al-Mabhouh memasuki UAE dengan identitinya sendiri pada 3:15. Biasanya al-Mabhouh dilindungi oleh pengawal, namun kedatangan mereka tertunda kerana pesawat itu penuh.

Al-Mabhouh naik teksi ke Hotel Al Bustan Rotana dan duduk di ruangan 230, mandi, menukar pakaian, meninggalkan dokumen-dokumen di dalam brankas, dan kemudian keluar hotel antara 4:30 dan 5 petang. Sekitar satu jam selepas check in , apa yang dia lakukan selama tiga hingga empat jam tidak jelas. Laporan menyatakan dia pergi ke Konsulat Iran di Dubai . Pada 8:25 Al-Mabhouh kembali ke bilik. Kemudian gagal untuk menjawab panggilan dengan isterinya setengah jam kemudian.

Menurut polis Dubai, dia sudah mati 9 malam. Pada 20 Januari, keesokan harinya, tubuhnya ditemui di bilik hotelnya. Jenazahnya kemudian pindah ke Damsyik untuk dikebumikan.