Det opplyser en kilde med kunnskap om saken til den amerikanske avisa Wall Street Journal.
Ifølge avisas kilde var det en forbindelse mellom Kim Yong-nam og den amerikanske etterretningsorganisasjonen.
Tirsdag sier tjenestemenn i Sør-Koreas etterretningstjeneste at de ikke kan bekrefte mandagens rapport fra The Wall Street Journal.
Kim Yong-nam ble overfalt av to kvinner på flyplassen i Malaysias hovedstad Kuala Lumpur 13. februar 2017 og fikk smurt nervegift i ansiktet. Han døde kort tid etter.
Detaljene rundt relasjonen mellom Kim og CIA er svært uklare, der flere tidligere offentlige ansatte i USA har uttalt at Kim neppe ville ha hatt mye informasjon å komme med, ettersom han i årevis hadde bodd utenfor Nord-Korea, uten kontakt med maktnettverket i hjemlandet.
Samtidig har det blitt påpekt at Kim, som for det meste oppholdt seg i den kinesiske enklaven Macau, ganske sikkert var i kontakt med sikkerhetsapparatet sentralt i andre land, særlig Kina.
CIA ønsker ikke å kommentere saken. Heller ikke kinesiske myndigheter har benyttet anledningen til å si noe om påstandene.