Joseph Rudolph Wood fortsatte å puste, gispe og puste i minst halvannen time før han ble erklært død, ifølge Associated Press, BBC og andre medier.
Mens han fortsatt var i live, krevde advokatene hans at henrettelsen ble avbrutt, men uten at hasteanken ble vurdert.
De sier Wood skulle vært død innen ti minutter.
Tredje i år
Guvernør Jan Brewer, som er republikaner, ga ordre om en full gjennomgang av det som skjedde. Hun sier hun er bekymret over at henrettelsen tok så lang tid, men hun hevder likevel at Wood ikke led før han døde, i motsetning til de to han drepte.
Wood ble dømt til døden for å ha drept sin 29 år gamle kjæreste Debbie Dietz og hennes far Gene i Tucson i 1989.
Henrettelsen av Wood er den tredje mislykkede henrettelsen på få måneder i USA.
Allerede etter de to andre i Ohio og Oklahoma var en hissig diskusjon i gang om henrettelser med gift og de dødsdømtes rettigheter.
- LES OGSÅ: Henrettelse i Oklahoma gikk fryktelig feil
- LES OGSÅ: Henrettet i Ohio med omstridt medikamentmiks
Eksperimenterer med giftblandinger
Etter at europeiske farmasiselskaper nektet å fortsette å levere gift til bruk i henrettelser i USA, har de forskjellige delstatene eksperimentert med nye giftblandinger som i flere tilfeller har vist seg ikke å fungere som de skulle.
Som andre fanger hadde Wood anket med krav om å vite mer om giftblandingen han skulle få, bøddelens kvalifikasjoner og produsenten av giften.
En lokal domstol utsatte henrettelsen, men senere avviste USAs høyesterett å behandle anken hans.
Woods henrettelse var nummer 26 i USA hittil i år, og den første i Arizona. Oklahoma suspenderte alle henrettelser i seks måneder etter den mislykkede henrettelsen av drapsmannen Clayton Lockett i april.
Avsky
Amerikanske borgerrettighetsorganisasjoner uttrykte sin avsky over den langtrukne dødskampen til Wood.
Cassandra Stubbs i American Civil Liberties Union (ACLU) sa at Arizona har krenket grunnlovsfestede rettigheter og strukket grensene for grunnleggende anstendighet.
– Det er på høy tid at Arizona og andre stater som fortsatt bruker giftsprøyte, å innse at dette eksperimentet med upålitelige giftblandinger er en fiasko, sa hun.
Den første henrettelsen som vakte mange menneskers harme, var da voldtektsmannen og drapsmannen Dennis McGuire gispet etter luft i 25 minutter før han døde i Ohio i januar.
Lockett vred seg i smerte, og en sprøyte falt ut mens han ble henrettet i Oklahoma. Henrettelsen ble avbrutt, men han døde av hjerteinfarkt en halv time senere.
Joseph Wood levde i nesten to timer etter at han fikk giftsprøyten da han ble henrettet i Arizona onsdag. Foto: Reuters / NTB scanpix