铊中毒和诊治从1994年11月24日起，朱令开始出现奇怪的中毒症状：起先是肚子疼，吃不下饭；接着（12月5日）胃部不舒服；最后（12月8日）她的头发开始脱落，并在几天内掉光。12月23日，朱令入住北京市同仁医院消化内科病房，虽然没有查出病因，但住院一个月以后，朱令的病情得到缓解，并长出了头发，于1995年1月23日出院
1995年2月20日，寒假结束，新学期开始，朱令返校。
1995年3月6日，朱令的病情恶化，她的腿疼痛很厉害，并感到眩晕，朱令父母将其送往北医三院求治。
1995年3月9日，朱令父母带朱令到协和医院的神经内科专家门诊，李舜伟教授接诊后，告诉朱令的母亲“太像60年代清华大学的一例铊盐中毒病例了”。但是由于朱令否认有铊盐接触史，并且协和医院不具备做该项化验的条件，协和医院没有进行铊中毒的检测。
1995年3月15日，她的症状加重，开始出现面部肌肉麻痹、眼肌麻痹、自主呼吸消失，朱令住进协和医院的神经内科病房，协和医院按照急性播散性脑脊髓神经根神经炎诊治。
1995年3月23日，朱令中枢性呼吸衰竭，协和医院采取了气管切开术。
1995年3月24日，协和医院开始对朱令采取血浆置换疗法，前后8次，每次均在1000毫升以上，有些人认为这对未确诊的情况下维持朱令的生命起到了重要的作用，但在这个过程中，朱令感染上了丙肝。
1995年3月26日，朱令被送入协和医院的重症监护室（ICU），依靠呼吸机维持呼吸。
1995年3月28日陷入昏迷状态，直到8月31日苏醒，朱令共昏迷长达5个月。
协和医院对朱令进行了多项检测（包括艾滋病病毒HIV，脊髓穿刺，核磁共振，免疫系统，化学物质中毒，抗核抗体，核抗原抗体和莱姆病等），但除了莱姆病以外，其它项目的化验结果皆为阴性。
1995年4月10日，朱令的高中同学、北京大学力学系92级学生贝志城、蔡全清等人当时将这种不明的病症翻译成英文，通过互联网向Usenet的sci.med及其他有关新闻组和Bitnet发出求救电子邮件。之后收到世界18个国家和地区回信1635封（一说超过2000封，贝志城说超过3000封），其中约三分之一的回复认为这是典型的铊中毒现象。圣裘德儿童研究医院的医生在回信中指出“疑似铊中毒，认为根据头发脱落、胃肠道问题和神经问题等症状几乎可以确诊”。由于当时中国互联网不发达，海外UCLA的Dr. Xin Li 在UCLA的服务器上和Dr. John W. Aldis一起曾帮助创建了UCLA朱令铊中毒远程诊断网，在朱令铊中毒远程诊断的信息发布和协调上起了关键作用。
1995年4月18日，贝志城拿着翻译好的电子邮件到协和医院重症监护区门口给医生参考，但他认为没有得到积极回应，很少人参看，也没有采纳电子邮件中的铊中毒判断和相应的检测办法，使得当时网上远程诊断的结果没有及时发挥相应的作用。
由于互联网上的回信怀疑是铊中毒，当朱令父母得知北京市职业病卫生防治所的陈震阳教授可作做铊中毒鉴定后，在一位有良心的协和医生暗中帮助下，取得朱令的尿液，脑脊液，血液，指甲和头发，于1995年4月28日来到北京市职业病卫生防治所进行检验。当天，陈震阳即出具了检测报告，认为朱令为两次铊中毒，第二次中毒后朱令体内铊含量远远超出致死剂量，并怀疑有人蓄意投毒，同时建议服用普鲁士蓝解毒。
根据互联网的反馈以及陈震阳1995年4月28日的化验结果，朱令开始服用对症药普鲁士蓝，服用当天，血液中的铊离子浓度开始下降，这是朱令到协和医院求诊的第50天，一个月后（一说10天），体内的铊被排出。但是，由于铊离子在体内滞留的时间太长，朱令的神经系统遭到严重损害，视觉几乎完全丧失，肌体功能也受到严重损伤，且仍处在昏迷中。
1995年8月31日，朱令从长达5个月的昏迷中苏醒。1995年11月，朱令从协和医院出院，转入其他医院和康复中心接受治疗。
1995年4月28日晚，当朱令被确诊为铊中毒后，朱令父母立即向清华大学当时的化学系副系主任、主管学生工作的薛芳渝教授提出报案的请求，薛随即向清华大学保卫部部长兼清华大学派出所副所长报案。1995年5月7日，北京市公安局开始正式立案调查。但在立案之前，在铊中毒确诊后的五一放假期间，朱令宿舍曾发生离奇盗窃案，朱令的洗漱用品丢失。
铊是一种剧毒化学品，在中华人民共和国《极毒物品级分类与品名编号》（1993年10月1日执行）中铊与氰化物同为A类。“据公安局有关人士说北京市工作中需要使用铊和铊盐的单位只有二十多家，能接触到铊的只有二百多人”。警方并且排除了朱令本人曾使用或接触过铊盐，也排除了其家人和亲朋接触过铊盐。朱令家人委托的两名代理律师之一张捷指出，“根据警方目前提供的情况来看，有人故意投毒是朱令中毒的真实原因，也就是说背后存在一个凶手”。 而了解内情又有几十年破案经验的老公安王补推断“嫌疑人的范围是很小的”，并根据清华大学女生宿舍的严格管理，进一步推断“朱令身边就有凶手”。
在1997年4月，在正式立案两年之后，北京警方对朱令案件犯罪嫌疑人孙维采取了第一次突审。在这以前见诸报道的关于案件的进展和调查情况包括：警方在1995年夏秋时分到朱令父亲单位调查过朱令父亲和孙维父亲的关系；警方在1995年通知朱令家属，“只剩一层窗户纸了”；1996年，清华大学派出所所长李慕成告知朱令父母，“有对象”，“上面批准后，开始短兵相接”； 1996年2月，北京市公安局14处有关领导对朱令家属表示案件难度很大，仍在努力之中；1997年2月，化学系薛芳渝教授告知朱令家人，校方将配合警方作一次有效的侦破行动，但后来一直没有下文 。
在朱令母亲朱明新1997年11月发表在UCLA朱令铊中毒远程诊断网上的一封信中提到 ，警方迄今一直怀疑为朱令同舍和同班同学的一位女生是投毒真凶。警方同时说明有证据显明是嫌疑人自己利用铊中毒测试报告出得太晚，破坏了朱令宿舍的物品，使得仍还有小于1%的硬件证据缺失。但警方表示不会放弃并有自信心在公开的法庭上给嫌疑人定罪。但是，从1995年5月7日以来的11年（2006年），这个案件没有进入法庭阶段，北京警方一直没有宣布侦破此案，也没有公开任何有关的细节和原因。但主要负责这个案件的公安局十四处李树森，在2006年对采访他的记者提及“这件事在调查工作中已有一定结论”，且“这件事情很敏感”。
朱令同宿舍的同班同学孙维，被警方认定为是能够合法取得铊盐并且跟朱令接近的人。经过详细调查，警方正式将其列为投毒的犯罪嫌疑人。1997年3月，朱令家人以出事班级即将全部毕业，人证即将难以获得为由，上书北京市公安局长。1997年4月2日，孙维作为朱令案件犯罪嫌疑人被北京市公安局14处带走，并在印有犯罪嫌疑人的纸上签字。在被连续侦讯审问8个小时后，孙维被家人接回家。此外，朱令家人还曾上书国家领导人要求加快办案，但上书时间没有说明。
1998年8月25日，公安机关宣布结案，并以“超过法定期限”为由解除孙维作为嫌疑犯所受到的强制措施。但匪夷所思的是，公安机关没有告知朱家此案已结，朱令父亲声称“之前得到的答复一直都是‘正在调查中'。”直至2008年申请信息公开时，才获悉已于1998年结办。
2008年5月12日，朱令父亲吴承之向北京市公安局提交了要求公开朱令急性铊中毒案侦破过程和结果的申请，并于当日被受理。十八天过后，市公安局以“法律、法规及相关规定不予公开的其他情形”为由发出“政府信息不予公开告知书”。
2013年4月，朱令同学王一风开腔，直指孙维有重大投毒嫌疑。孙维曾在2005年的天涯社区声明里指出，自己并非能够接触到铊的学生，称帮老师做实验使用的铊溶液是别人已经配好放在桌上的。对此，王一风回忆称当年清华大学一共有七个人可以接触到“铊”，分别是两名教师（李隆弟和童爱军）、三名女研究生（87级女生陈某、88级女生赵某、89级女生朱某）和两名本科学生。其中一个为90级男生吴某，另一个就是孙维，“女研究生住在别的楼。只有孙维可以近距离接触朱令的日常用品。”
曾有传言称警方当年“从孙维床底的箱子里找到朱令的咖啡杯”，并且“有被彻底清洗过”，孙维当时辩称“朱令在住院怕杯子落尘”。对于该传闻，一位自称孙维室友名为“太阳正暖”（与孙维声明相隔4分钟）的ID在网上发帖称，孙维住在双层架子床的上铺，言下之意否决了“在床底下有孙维的箱子”之说法。此外，据派出所通报，朱令中毒住院后，所在宿舍曾因“盗窃”致现场被破坏，地板上散落着钱。一位老师事后告诉朱令父亲，其他同学都没丢东西，唯独缺少了朱令的洗漱用品，还有一个不锈钢杯子滚落在床铺下。
舆论汹涌之下，许多“小道消息”开始曝光。比如，网上就出现一份据称是黑客截取的当年孙维在天涯发布声明前给几位同学的“发帖指南”，其中讲述孙维如何指导同学如何从人品、社团状况、学校管理等方面，跟帖支持她的声明。公安部门保持着沉默，让这一轮民意聚焦，有些“未审先判”的意味。
朱令家人认为，协和医院误诊并耽误了治疗时间，才使得铊中毒给朱令带来了严重的后遗症。1996年12月，一家律师事务所的律师（截止至今，未见披露姓名以及所在所）提供法律援助，接受朱令家人的委托将协和医院起诉至东城区人民法院，“要求医院赔偿经济和精神损失近80万元”。1997年10月，北京市医疗事故鉴定中心作出协和医院不存在过失、不属于医疗事故的鉴定。1999年4月2日，一审协和医院胜诉。
1999年12月，免费代理此案的浩天律师事务所律师俞蓉向北京市第二中级人民法院提出重新进行鉴定的申请，法院委托北京市法庭科学技术鉴定研究所再次鉴定，该单位出具了鉴定意见：“（协和医院）该不作为的行为导致被鉴定人朱令病情被诊断的延误，因此，北京协和医院在本次医疗行为上存在一定的不当之处”。 2000年11月26日，北京市第二中级人民法院终审判决协和医院补偿朱令医疗等损失10万元。
