Sau một phiên xét xử tại tòa án quân sự, ông kết tội gián điệp và chịu án tử hình trong bộ luật hình sự. Cohen được cho rằng đã bị thẩm vấn và tra tấn nhiều lần.[2][3] Trước tình thế này, Israel đã vận động hành lang quốc tế để ân xá cho ông, hi vọng thuyết phục được chính phủ Syria không xử tử ông. Bộ trưởng Ngoại giao Israel Golda Meir dẫn đầu chiến dịch, yêu cầu cộng đồng quốc tế gây áp lực lên Damascus cân nhắc hậu quả của việc treo cổ Cohen. Các nhà ngoại giao, Thủ tướng và Giáo hoàng Paul VI đã cố gắng can thiệp. Meir thậm chí đã viện đến Liên Xô.[3] Bất chấp thỉnh cầu của các đại diện chính phủ Pháp, Bỉ và Canada nhằm thuyết phục Syria thay đổi hình phạt tử hình,[17] nhưng bản án cuối cùng vẫn được giữ nguyên. Ngày 15 tháng 5 năm1965, Cohen viết trong lá thư cuối cùng của mình:[2]

"...Anh cầu mong Nadia yêu dấu đừng dành thời gian đau buồn về những điều đã qua. Hãy tập trung cho bản thân mình, nhìn về tương lai tươi sáng phía trước!"

Ngày 18 tháng 5 năm 1965, Cohen bị treo cổ công khai tại quảng trường Marjeh ở Damascus. Trong ngày ông bị xử tử, mong muốn cuối cùng của Cohen là được gặp một Thầy tu Do Thái, yêu cầu này đã được giới chức Syria chấp thuận. Trên đường tới quảng trường Marjeh trong một xe tải, ông được tháp tùng bởi Nissim Andabo, một Thầy tu Trưởng 80 tuổi ở Syria.[3]

Ngày 20 tháng 9 năm 2016, một video về thân thể Cohen sau khi bị xử tử được đăng trên Facebook bởi một nhóm người Syria vô danh có tên "kho tàng nghệ thuật Syria." Trước đó chưa có một video nào về cuộc hành hình được biết là có tồn tại.[18]