אלי כהן נכנס שלוש פעמים לרמת הגולן, שהוכרזה כשטח צבאי סגור שהכניסה אליו הותרה רק באמצעות אישור מהרמטכ"ל הסורי. אל הרמה הוא נכנס בליווי קצינים סורים בדרגות גבוהות. הקשרים שהצליח ליצור בדמשק היו כה רמים, שבשלטון הסורי ראו בו מועמד למשרת סגן שר הביטחון הסורי. כהן אסף מידע רב בנושא ניסיונותיה של סוריה לחבל במוביל הארצי, והעביר לשירותי הביטחון את המידע על המקומות המתוכננים לחבלה. מאוחר יותר, ניסתה סוריה להוציא לפועל תוכנית להטיית מי מקורות הירדן באזור הבניאס. כהן תרם מודיעין חשוב גם כאן, לאחר שדובב את הקבלן שהיה אחראי על בניית מתקן ההטיה, וישראל השמידה את הציוד הסורי עוד לפני שהושלמה היערכותם. בנובמבר 1964, לאחר שהצבא הסורי ירה על חקלאים שעיבדו קרקע בשטח המפורז ליד קיבוץ דן, הגיבה ישראל בירי מדויק על התעלות בתוואי ההטיה ועל צמ"ה שביצע את העבודות, על-פי נקודות ציון שמסר כהן. ישראל השתמשה גם בחיל-האוויר ללא חשש מהתנגשות עם חיל האוויר הסורי, הודות למידע שכהן העביר על קשיי קליטת מטוסי המיג 21 החדשים בסוריה.
לכידתו.
עד כה, לא פרסמה ישראל פרטים על נסיבות לכידתו. על-פי אחת ההערכות, הסורים, שאמצעי החבלה שלהם במוביל הארצי נחשפו זמן קצר אחרי הטמנתם, החלו לחשוד שיש מרגל שמעביר מידע.
על פי גרסה אחרת, בראשית ינואר 1965 הגיע לנמל לטקיה מטען של מכשירי קשר סובייטיים חדישים, אשר נועדו להחליף את הציוד הישן של צבא סוריה. ב-7 בינואר 1965 נערכה ההחלפה. לשם ביצוע ההחלפה ובדיקת יעילותו של הציוד החדיש, הוחלט להטיל דממת אלחוט במערכות הקשר של הצבא הסורי לעשרים וארבע שעות. אלי כהן, שלא ידע על דממת האלחוט, המשיך לשדר כהרגלו, ומקלטי הצבא הסורי ננעלו על אות השידור ופענחו אותו. כאשר כוחות הצבא פרצו אל ביתו, אלי כהן נתפס כשהוא משדר, ולא גילה כל התנגדות למעצר. גרסה זו היא המופיעה בעמוד ה"יזכור" הרשמי של משרד הביטחון המוקדש לכהן, אך יש הטוענים כי זו גרסה בעייתית, שכן דממת האלחוט שהוטלה על מערכות הקשר של הצבא הסורי לא חייבה את עובדי השגרירויות הזרות שהמשיכו לשדר לארצותיהם. יתרה מזאת, התדרים בהם שידר אלי כהן לא חפפו את תדרי השידור של הצבא הסורי.
בראיון של ראש המודיעין הסורי אחמד סוידאני ב–1 במרץ 1965, חודשיים וחצי לפני תלייתו של כהן, עם עיתונאי לבנוני, זוהיר אל–מרדיני, בשבועון הלבנוני "אל–אוּסבּוע אל–עַרַבּי" ומעדויות של קצין מודיעין שפרץ לדירה עלה, כי אלי כהן לא שידר בעת שנלכד. מניתוח עדותם עולה כי כהן נלכד בעת ששכב במיטתו והאזין לשידורי רדיו. מעדות קצין המודיעין עולה כי זמן הפריצה לדירה נקבע על פי צורך מבצעי. "חששנו שכהן יתאבד כשנפרוץ לדירה... ראינו שכהן הולך לישון מאוחר לקראת בוקר... ולכן תכננו את שעת הפריצה לשעה 08:00 זמן שהוא שוהה במיטתו. שלושה אנשים פרצו את הדלת והרביעי (המתאבד) רץ במהירות לחדר השינה במטרה להישכב עליו גם במחיר חייו." מעדות הקצין עולה כי לאחר שנתפס במיטתו הם בודדו אותו והחלו לחפש בדירה. "בתחילה נמצאו לבנות החבלה שהוסתרו בתוך חפיסות סבון יארדלי". הקצין הוסיף: "לאחר מכן ביצענו חיפוש מדוקדק בדירה ומצאנו את מכשירי השידור והקליטה".
אחד המדינאים הבכירים איתם התיידד כהן היה אמין אל-חאפז, שב-1963 ביצע הפיכה צבאית והפך לנשיא סוריה. בריאיון עמו ב-2001 טען חאפז כי הוא זה שתפס את אלי כהן, לטענתו לאחר שהאחרון כשל בלשונו ואמר לו כי הוא הולך להתפלל "במסגד של מוסלמים". אל-חאפז הסביר כי משפט כזה יכול לומר רק אדם שאינו מוסלמי ולכן התעורר חשדו. עם זאת, בראיון שנתן חמש שנים מוקדם יותר הוא מסר גרסה שונה, ואמר כי כהן נלכד בידי כוחות הביטחון הסוריים בעקבות שידור אלחוטי, שבו העביר לישראל החלטות של מפלגת הבעת' הסורית. ההחלטות פורסמו בפומבי בחדשות קול ישראל בזמן שהיו ידועות רק לקבוצה מצומצמת של חברי מפלגת הבעת' הסורית, דבר שהעלה חשד לקיומו של מרגל בצמרת הסורית.
בכתבת תחקיר שפורסמה ב"מעריב" נקב המחבר בשמו של סא"ל עאדל אל-סעידי (عادل الصعيدي), קצין בכיר וגמלאי של משטרת ביטחון הפנים הסורית כמי שהפליל את כאמל אמין ת'אבת. אל-סעידי וכמה מחבריו של כהן חשדו בו שהוא אינו איש עסקים. אל-סעידי השתתף באפריל 1964 בנסיעתו השלישית של אלי כהן לאל-חמה ונכח שכאמל אמין ת'אבת מבצע עבירה ביטחונית חמורה. כאמל צילם בחזית ברמת הגולן והתעקש להמשיך על אף שחבריו ביקשו ממנו לחדול ואמרו לו שזה אסור. חשדו של אל-סעידי התגבר בעקבות מספר אירועים נוספים והוא אף הטיח בכאמל אמין ת'אבת שהוא חושד שהוא עוסק בפעילות מסוכנת. בכתבה נטען כי עאדל אל-סעידי הגיש את תלונתו לחבריו במשטרת ביטחון הפנים באוקטובר 1964 בעת שכהן שהה בחופשה בישראל ולכן אנשיו של אחמד סווידאני חיכו לחזרתו ועקבו אחרי אלי כהן מהרגע שנחת בדמשק ועד ליום מעצרו. מפרוטוקול בית הדין הצבאי המיוחד עולה כי חוקרי המודיעין הסורי עצרו, חקרו והעמידו לדין את כל האנשים (35) שהיו במגע עם כהן מרגע נחיתתו ב-26 בנובמבר 1964 ועד מעצרו - היחיד שלא הועמד לדין היה עאדל אל-סעידי.
בסרט תיעודי משנת 2021 שהופק על ידי רשת RT הרוסית, פורסם צילום של כהן מטייל ברחוב ראשי בדמשק, מתוך ארכיון של מומחה סובייטי למודיעין אותות בשם בוריס לוקין שהיה מוצב בסוריה. על פי הסרט נרמז כי לברית המועצות היה חלק בלכידתו.
משפטו ותלייתו.
ב-24 בינואר הודיעה סוריה רשמית על מעצרו של אלי כהן, אשר כונה "Master Agent". למחרת, פורסם מידע על תפיסתו בעיתון "אל בעת" הסורי. כהן עונה קשות במהלך חקירתו במשך ארבעה שבועות. משפטו נפתח ב-22 בפברואר 1965 בבניין המטה הכללי הסורי. תחילה נערך המשפט בדלתיים סגורות, ואף פרקליט או עיתונאי לא הורשה להשתתף. בקשתו של אלי כהן לסניגור שייצג אותו לא נענתה. לאחר שלושה ימים התחילו לשדר קטעים נרחבים מהמשפט ברדיו דמשק. מדינת ישראל עשתה מאמצים גדולים להציל את חייו ולשחררו. נשלחו מספר מתווכים לדמשק שהציעו הצעות שונות ובהן כסף, ידיעות על האופוזיציה החתרנית, תרופות ואף ציוד אזרחי רב, אך הסורים סירבו לכל ההצעות. כמו כן, לפי נתן סלומון, שהיה מדריכו האישי בבית הספר לתפקידים מיוחדים, מדינת ישראל הציעה לסורים מידע מודיעיני תמורת שחרורו של אלי כהן, אך סוריה דחתה את ההצעה הזו. נוסף על כך, לפי דני יתום, ראש המוסד לשעבר, מדינת ישראל הציעה לשחרר שבויים סורים תמורת שחרורו של אלי כהן, אך הסורים לא נענו להצעה.
מכיוון שכהן היה מקורב אישית לצמרת השלטון, תמכה האופוזיציה בסוריה בעריכת משפט פומבי, על פי הכללים, עם ייצוג של עורך הדין שנשלח לייצגו מצרפת, כדי לחשוף את מעללי צמרת השלטון ושחיתותו. לכן דאג המשטר הסורי, שהמשפט ייערך בדלתיים סגורות, ורק חלקים בודדים (וערוכים) ממנו הוצגו בטלוויזיה. בחלקים אלה לא הצליחו להסתיר את רעידותיו שנגרמו כתוצאה מהעינויים שעבר. בין השופטים היו ידידיו לשעבר של כהן, כמו צאלח ד'אלי. בנוסף, אף במשפט הסגור, הוא לא הואשם בגין ריגול. האישום המרכזי נגדו היה עבירה זניחה, על כך שבסיוריו בגבול ישראל עם בכירי הצבא (שהציגו לו את הביצורים והנשק) הוא נכנס לתחום שאסור לכניסת אזרחים. התחום סומן בשלט, הניצב עד היום סמוך ליישוב הנושא את שמו, אליעד, ובו כתוב: "אין מעבר לאזרחים דרומה מקו זה. העובר צפוי לעונש מוות". העילה לאישום הזניח היא עובדת קשריו הרבים והאישיים עם צמרת הצבא והממשל, ולכן בכירים רבים חששו שהמשפט יחשוף את הכשלים שלהם בשמירה על ביטחון שדה.
כארבעה חודשים לאחר שנלכד כהן, ב-18 במאי 1965 בשעה 02:00 לפנות בוקר, נעה שיירה צבאית קטנה ברחובות דמשק. לאחר נסיעה קצרה עצרה השיירה בתחנת המשטרה מול כיכר אל-מרג'ה שבלב העיר, ולמקום הובהלו קצינים רבים, כולל אלה שכיהנו כשופטים בבית המשפט הצבאי שדן את כהן למוות, וכן עיתונאים וצלמים שקיבלו אישור לתעד את שעותיו האחרונות של המרגל הישראלי הבכיר ביותר שנלכד בסוריה. הרב נסים נדבו הכהן, הרב הראשי של דמשק, קרא עם כהן את תפילת צידוק הדין, קריאת שמע ווידוי. מאוחר יותר העיד הרב כי פגש אדם שבור, ועם זאת אדם נחוש שביקש להודיע לבני משפחתו שמילא את חובתו עד תומה ונשאר נאמן לעמו ולארצו.
לאחר מכן הובל כהן למרכז כיכר מרג'ה, שבה המתין לו אבו סלימאן, התליין הראשי של סוריה, אשר תלה אותו. בשעה 3.30 לפנות בוקר, גופתו נותרה תלויה 6 שעות, כשהיא מכוסה בסדין לבן ועליה כתב האישום, לעיני העוברים ושבים בכיכר.
כהן השאיר אחריו אישה, נדיה כהן, ושלושה ילדים - סופי, עירית ושי.
חוקריו של כהן אילצו אותו לכתוב שני מכתבים מזויפים לפיהם אולץ לרגל, אולם דקות אחדות לפני מותו ביצעו הסורים טעות. אלי נשאל בנוכחות עיתונאים זרים האם יש לו בקשה אחרונה והוא ביקש לכתוב מכתב אחרון למשפחתו. את המכתב שכתב לאשתו זמן קצר לפני עלייתו לגרדום לא יכלו הסורים להסתיר וכך כתב:
אלי כהן נקבר בדמשק, ועד היום לא נענו הסורים לבקשה לאפשר את הבאתו לקבורה בישראל. לאחר מותו הועלה מדרגת רב-סרן לדרגת סגן-אלוף.
לוי אשכול, שהיה ראש ממשלת ישראל בעת מלחמת ששת הימים, אמר: "מעשיו של אלי כהן חסכו למדינת ישראל חטיבות רבות של חיילים, והמידע שהביא לפני מלחמת ששת הימים היה מידע שלא יסולא בפז, והביא לניצחון הגדול במלחמת ששת הימים".
לאחר מותו.