Общее руководство операцией, получившей кодовое наименование «Утка», было поручено Павлу Судоплатову. Тот, в свою очередь, предложил возложить непосредственную организацию и осуществление операции на месте на Наумова-Эйтингона.
Первая попытка ликвидировать «Старика», предпринятая 20 мая 1940 года во время нападения на его виллу в Койоакане группы боевиков во главе с известным художником Давидом Сикейросом, закончилась неудачей. Тогда был приведен в действие второй вариант, где главная роль отводилась молодому испанскому коммунисту Рамону Меркадеру, привлеченному Эйтингоном к сотрудничеству с советской разведкой еще в Испании.
Меркадеру (по легенде – бельгийскому журналисту Жаку Морнару) удалось войти в ближайшее окружение Троцкого. 20 августа 1940 года Меркадер, находясь в кабинете Троцкого, нанес ему удар ледорубом по голове. На следующий день «Старик» скончался. Сам Меркадер был задержан охраной и арестован. Эйтингону и матери Рамона – Каридад Меркадер – удалось покинуть Мексику.
После успешного завершения операции через Кубу, Китай, Дальний Восток весной 1941 года Эйтингон вернулся в Москву. В мае 1941 года он был назначен заместителем начальника 1-го Управления (внешняя разведка) НКГБ СССР.
В первые дни Великой Отечественной войны, 5 июля 1941 года, был назначен заместителем нач. Особой группы (ОГ) при наркоме ВД СССР, возглавляемой Павлом Судоплатовым. Основной задачей группы была организация диверсий в тылу противника.
Осенью 1941 года Эйтингон вместе с разведчиками Г. Мордвиновым, И. Винаровым и группой боевиков выехал в Турцию, где по заданию Сталина должен был организовать ликвидацию германского посла в Анкаре Франца фон Папена. Покушение сорвалось, и в августе 1942 года Эйтингон вернулся в Москву.
С 20 августа 1942 года – заместитель начальника 4-го Управления НКВД / НКГБ СССР. Наряду с Павлом Судоплатовым Эйтингон являлся одним из организаторов партизанского движения и разведывательно-диверсионной работы на оккупированной территории СССР, а позже – в Польше, Чехословакии, Болгарии и Румынии, сыграл ведущую роль в проведении ставших легендарными оперативных радиоигр против немецкой разведки «Монастырь» и «Березино». За выполнение специальных заданий в годы Великой Отечественной войны Эйтингон был награжден полководческими орденами Суворова 2-й степени и Александра Невского.