Pada Januari 1965, kontra intelijen Suriah mengidentifikasi sinyal radionya dan menangkap saat sedang mengirim transmisi. Setelah penangkapannya, Israel segera bertindak dengan harapan bisa mengeluarkan Cohen dari Suriah atau membuatnya tetap hidup.
Mossad diam-diam menyewa seorang pengacara Prancis terkemuka yang mengatur permohonan resmi kepada pemerintah Eropa dan Paus. Suriah menutup telinga. Pengadilan di Damaskus menjatuhkan hukuman mati kepada Cohen dan dia digantung di lapangan umum pada 18 Mei 1965. Suriah mengizinkan mata-mata itu untuk mengirim pesan tertulis terakhir kepada keluarganya.
"Saya menulis kepada Anda kata-kata terakhir ini, beberapa menit sebelum akhir saya. Aku mohon, Nadia sayang, maafkan aku dan jaga dirimu dan anak-anak kita. Jangan menghalangi mereka atau diri Anda sendiri dari apa pun. Kamu bisa menikah lagi, agar tidak mencabut hak anak dari seorang ayah." Nadia, istri Cohen tidak pernah menikah lagi.