חשדות עות'מאניים בריגול כלפי יהודי היישוב החלו בשלב מוקדם של המלחמה. עוד בטרם הוקמה ניל"י, בינואר 1915, נאסרו 13 צעירים בני חדרה (ובהם אבשלום פיינברג) בטענה כי הם מעורבים בריגול. כל 'פשעם' היה שהם ישבו סביב מדורה בלילה בחוף הים - מעשה שפורש על ידי הטורקים כניסיון איתות לספינות בריטיות בים. הם שוחררו לבסוף, עקב התערבות מקרית של קצין טורקי בכיר, בזכות קשריו של אהרן אהרונסון.
בשעה שפעלה כבר הרשת, עברו שמועות בין אנשי היישוב היהודי על רשת ריגול. חלקן אף ירדו לפרטים: "נודע לי" - כתב צבי נדב, מראשי ארגון "השומר" - "שקיימת קבוצת מרגלים עבריים לטובת האנגלים ויוסף לישנסקי נמנה עליה, וקבוצה זו קשורה בבית אהרנסון ובאבשלום פיינברג... הכתה אותי בתימהון עוד יותר גדול העובדה, שהם עובדים לאור השמש ללא שמירה אלמנטארית של חוקי הקונספירציה. היו מראים באצבע: 'פלוני הוא בן חבורתם!...' סופר, שיוסף לישנסקי בא בימים אלה ממצרים והביא דרישת שלום ומתנה לאשה אחת נודעת" [ההדגשה במקור].
גם יוסף לישנסקי עצמו ציין זאת באחד ממכתביו לאהרן: "יהודינו פטפטו כל כך הרבה, עד שיש להתפלא איך הממשלה לא הרגישה בנו". לא מן הנמנע ששמץ מאותן שמועות הגיע לאוזניהם של הטורקים, אך לא היה להם מידע מדויק.
נוסף על כל זאת, הבריטים לא השקיעו מאמץ במידור הסוכנים זה מזה. כך, סוכנים ערבים שפעלו עבור הבריטים ידעו באופן מעורפל על קיום רשת ריגול יהודית באזור עתלית, וכשנתפסו על ידי העות'מאנים, דיווחו על כך בחקירתם. גם זה עורר חשדות, אך עדיין לא היה בכך מספיק כדי לעצור את הרשת.
תפיסת היונה.
במשך חודשי הפעילות הראשונים התקיים הקשר על ידי אונייה בלבד. קשר זה היה מוגבל: האונייה הייתה מבקרת בחופי עתלית רק בלילות חשוכי ירח, כלומר פעם בחודש, לערך. ידיעות דחופות לא היו יכולות לעבור בדרך זו, ודבר זה היווה חיסרון משמעותי.
כמה דרכים לקשר חלופי נבחנו, ובהן העברת כבל ימי, קשר אלחוט ונחיתת מטוסים. ההחלטה שהתקבלה הייתה להשתמש ביוני דואר. יונים אומנו לצורך המשימה, ולבסוף הובאו לתחנת הניסיונות בעתלית, אשר שימשה בסיס לפעילות ניל"י. ביוני הדואר נעשה שימוש מתחילת יולי 1917. לקראת תחילת חודש ספטמבר שלחה שרה אהרנסון שני זוגות יונים למצרים, וביקשה שהמנגם, אוניית הקשר, תגיע אל מול חופי עתלית ב-10 בספטמבר. היו ידיעות מעורפלות על מתקפה צפויה של הטורקים בחזית עזה, אותן ביקשו חברי ניל"י להעביר.
יונים אלו לא הגיעו ליעדן, אולי עקב שימוש לא נכון של חברי ניל"י ביונים או בשל כישלון האימונים שעברו במצרים. אחת מן היונים נחתה בין יוניו של בקיסריה. ב-4 בספטמבר הוא הבחין ביונה הזרה ובפתק שהיה קשור לרגלה. הפתק היה מוצפן והוא לא הצליח לקרוא אותו. במהרה נפוצו שמועות ביישוב על תפיסתה של היונה, ויוסף לישנסקי ידע על כך כבר בליל אותו יום. איש ניל"י, מנשה ברונשטיין, נשלח מיד לתחנה בעתלית, שחט את כל היונים שהיו שם וקבר את בשרן באדמה. יוסף לישנסקי הגיע לתחנה בעתלית והשמיד או גנז מסמכים שחשש שייתפסו.
תפיסת היונה לא גרמה לתפיסת ניל"י באופן מיידי. הטורקים לא הצליחו לפענח את הצופן (אף שהיה פשוט לפיצוח), וכשלו בניסיונם לשכנע את יהודי הארץ לעזור להם, בפיענוח או בהלשנה. הם הציגו את היונה במלון 'גרף' בזכרון יעקב כאמצעי לחץ על האוכלוסייה, אך איש לא פצה את פיו. לאחר מכן לקחו את היונה והעבירוה לחיפה ומשם - לקושטא.
עם כל זאת, בשלב זה ידעו הטורקים בוודאות שמתבצע ריגול מתוך הארץ.
תפיסת היונה גרמה לסערת רוחות אצל ראשי ניל"י. יוסף לישנסקי חשב שצריך להמשיך את העבודה בכל מחיר. לעומתו, היו שסברו אחרת. לדעתם, היה צורך בהפסקת הפעילות לזמן מה עד שירגעו הרוחות. ההכרעה נפלה לטובת דעתו של יוסף, והפעילות נמשכה.
מעצר נעמן בלקינד.
ב-9 בספטמבר, או בעשירי בו, יצא למצרים נעמן בלקינד, מאנשי ניל"י הבולטים, על מנת לחפש את אבשלום פיינברג. בלקינד לא ידע על מותו של אבשלום, מעטים ידעו על כך אז: שרה ואהרן אהרנסון, ליובה שניאורסון ויוסף לישנסקי. אפילו משפחתו של אבשלום לא ידעה. לאמו ולסביבתו הקרובה סיפרו כי הוא נסע ללונדון לקבל הכשרה כטייס בצבא הבריטי. ברם, העובדה שלא התקבלו ממנו מכתבים הייתה מחשידה מאוד. פיינברג נהג לכתוב מכתבים רבים, ושתיקתו הייתה מוזרה. היו חשדות כי הוא מת, אך לא היו ראיות מוצקות לכך. נעמן בלקינד, בן דודו של אבשלום וידיד נעוריו, החליט לצאת למצרים לברר את הדבר בעצמו. להחלטה קדמו ויכוחים עם יוסף ושרה, שלא שיתפו את בלקינד בידוע להם. בלקינד ביקש מהם לצאת למצרים ב'מנגם', אך הם סירבו. הוא איים כי יצא לבדו למצרים, אך הם לא האמינו כי יממש את איומו.
בלקינד בחר ללכת בדרך היבשה, וב-13 בספטמבר נתפס, כנראה, על ידי קבוצת שודדים בדואים, אשר הסגירה אותו לידי העות'מאנים.
בלקינד הובל לבאר שבע, ושם טען לחפותו. העובדה שבכליו נמצאו רשימות בעלות אופי צבאי מובהק הייתה בעוכריו. הטורקים לא קיבלו את טענותיו שהלך לקנות שעורה או לראות את פרדותיו שנמצאו בשירות הצבא הטורקי. הם החליטו לתלות אותו כעבור שלושה ימי חקירה, אך בעצת קצינים גרמנים שינו את החלטתם והמשיכו בחקירות כדי למצוא שותפים למעשה הריגול.
הבשורה על לכידתו של נעמן הגיעה לזכרון יעקב ארבעה ימים לאחר תפיסתו, ב-17 בספטמבר. אנשי הרשת חששו מאוד, וניסו למצוא דרכים לפתור את הבעיה: הראשונה, לשחרר את בלקינד במבצע צבאי: שישה צעירים חברי ניל"י ייכנסו חמושים, לבושים כשוטרים טורקיים, לכלאו בבאר שבע וייקחו אותו לחופשי. בעת הצורך, כך תוכנן, ייכנסו אנשי ניל"י עם הטורקים בקרב. הצעה זו נדחתה בגלל הסכנה שבה. ההצעה השנייה הייתה לפנות את כל שאר אנשי ניל"י ב'מנגם' למצרים. הצעה זו יושמה באופן חלקי: ב-25 בספטמבר פונו אשתו ובנו של שמואל אהרנסון - אחיהם של שרה ואהרן - שהיה מפעילי ניל"י, למצרים באונייה. פינוי מלא לא התבצע מחשש לעורר תשומת לב טורקית, שתגרום לפגיעה בנשארים בארץ. פינוי שנעשה קודם לכן למרגלים ערבים ומשפחותיהם בחופי צור גרר עונשים כבדים לאנשי העיר, ובניל"י חששו מגורל דומה לאנשי היישוב שלא היו קשורים לריגול. בשלב זה עדיין לא היה ברור כי לכידת בלקינד תפיל את שאר חברי הרשת, והוחלט לפנות את האנשים בהדרגה, כך שהפינוי לא ימשוך תשומת לב. ההרגשה בעקבות ההחלטה לדחות את מועד הפינוי הייתה קשה, ושרה אהרנסון כתבה על כך: "אפשר מאוד שזו טעות מצדנו ושנאחר את המועד לברוח, אבל אנו מסכנים את עצמנו עד הרגע האחרון". שרה עצמה תכננה לעלות על המנגם ב-27 בספטמבר, אך היא חיכתה לשווא: המנגם לא הגיעה.
ההצעה שנתקבלה לבסוף הייתה להמשיך בעבודה בתקווה שבלקינד יחזיק מעמד ולא יחשוף את חבריו, ובתוך כך לנסות לשחררו על ידי בקשיש. בתחנה בעתלית לא היה כסף רב באותו זמן, ובניל"י העריכו הבקשיש הדרוש ב-3000 לירות טורקיות. הם דרשו מהאנשים במצרים שישלחו הרבה כסף ובדחיפות, אך אלה התקשו לאספו במהירות כה רבה. על כן, נכשל גם הניסיון לשחרר את נעמן בלקינד על ידי בקשיש.
בינתיים, גילו העות'מאנים את סודותיו של בלקינד. לא ברור איך בדיוק. מאוחר יותר הוא העיד שהוא סיפר להם שהוא מבקר באזור כדי לבקר שייך בדואי מסוים. הם שחררו אותו ועקבו אחריו, בעוד הוא ממשיך אל השייך. השייך, על פי פקודות הטורקים, שיכר (ואולי אף סימם) את נעמן, ומשך מפיו את סודותיו בדרך זו. הוא סיפר שמות אנשים והתרברב במעשיו. כך, נחשפה ניל"י לגמרי.
מעצרים בזכרון יעקב.
בערבו של ה-1 באוקטובר, מוצאי חג ראשון של סוכות התרע"ח, לאחר שקיבלו מידע מפורט מאנשי ארגון ״השומר״, הקיפה פלוגת חיילים עות'מאנית את זכרון יעקב מכל עבריה. על הגעת החיילים הטורקים נודע קודם לכן לעגלונו הערבי של אהרן אהרנסון, שמסר את הדברים במהירות לשרה אהרנסון. הוחלט כי יוסף לישנסקי, מנשה ברונשטיין ויצחק הלפרין יברחו, ואילו שרה תישאר במקום. לא ברור מדוע לא נמלטה. ייתכן כי חשבה להקריב עצמה כדי להניח את דעתם של הטורקים, וכך לתת לשאר הרשת לפעול.
כשנודע לה על בואם של הטורקים, הפקידה אלף לירות טורקיות מכספי התחנה בידי דוד שטרנברג, קרוב משפחתה שלא היה פעיל ניל"י, ועברה בביתה והחביאה פרטים וחפצים מפלילים; זה לא עזר לה: הטורקים ידעו את מי הם מחפשים, ופנו מיד אל בית אהרנסון. ארבע נשים יהודיות סייעו להם באיתור בתי שאר אנשי ניל"י. הם עצרו את שרה, אפרים וצבי אהרנסון, בני משפחת לישנסקי (פרט ליוסף), ופעילי ניל"י אחרים: טובה גלברג, ניסן רוטמן, יהודה זלדין ועוד. העות'מאנים לקחו עמם את שרה, צבי (אחיה) ופישל (אביה) אל המפקדה הטורקית הקרובה. הם עינו את פישל וצבי אהרנסון בפאלקות (הלקאות על כפות הרגליים והידיים), בדרישה לגלות את מקומם של יוסף לישנסקי וראובן שוורץ - בן דודה של שרה וחבר ניל"י, שחשבו אותו בטעות לאחד הבכירים ברשת - והכריחו את שרה להביט בעינויים. היא טענה שאביה ואחיה לא היו שותפים לריגול. את מקומם של המתחבאים לא גילו. הטורקים עינו גם בני משפחה של ראובן שוורץ. לפנות בוקר, בתום העינויים, שוחררו האנשים לבתיהם, כאשר חיילים עות'מאנים הוצבו בפתחי הבתים.
בינתיים, התחבאו שאר חברי ניל"י במקומות שונים: יוסף לישנסקי, מנשה ברונשטיין ויצחק הלפרין ברחו לגבעות שליד זכרון יעקב, ומשם השקיפו על הנעשה. ראובן שוורץ התחבא בביתו של ידיד משפחתו, ערבי שגר באזור זכרון יעקב. דוד סוקולוביץ', שחי באזור עפולה, שמע על המעצרים והחקירות בזכרון יעקב והסגיר את עצמו לצבא הטורקי בתור עריק (פָרר). הוא הועסק בעבודות כפייה, מבלי שידעו הטורקים כי ריגל נגדם בעבר.