В 1936 году Эйтингон под именем Леона Котова прибывает в Испанию в качестве заместителя резидента НКВД СССР по партизанским операциям, включая диверсии на железных дорогах. Здесь он как заместитель советника при республиканском правительстве подружился с Эрнестом Хемингуэем, многими бойцами Интербригад, которых сплотила ненависть к фашизму. Под его началом работал Морис Коэн, будущий связной Вильяма Фишера (Рудольфа Абеля) и Конона Трофимовича Молодого (полковника Лонсдейла). В своих мемуарах Павел Анатольевич Судоплатов отмечает, что Эйтингону удалось склонить к сотрудничеству одного из лидеров фалангистов Фердинандо де Куэста. С его помощью через разведчика-нелегала Иосифа Григулевича удалось выйти на ряд чиновников в окружении Франко и принудить их к сотрудничеству с советской разведкой. Именно Котов-Эйтингон по решению республиканского правительства вывез на военно-морскую базу в Одессе весь золотой запас Испании. За эту операцию он получил орден Красного Знамени.
Но в гражданской войне наступал перелом. В июле 1938 года бежит в США, прихватив с собой кассу резидентуры в Барселоне — 60 тыс. долларов — резидент НКВД в Испании и главный советник по внутренней безопасности и контрразведке при республиканском правительстве Александр Орлов (Лейб Лазаревич Фельдбин). Главным резидентом становится Котов-Эйтингон. Руководство внешней разведки отзывает в Москву всех агентов, бывших у Орлова на связи. И хотя Эйтингон сам был в тяжелейшей ситуации, он настаивает на сохранении контактов с Кимом Филби, в то время корреспондентом лондонской газеты «Таймс», руководителем «кембриджской пятерки». Покидая Испанию в 1939 году, Эйтингон вывозит весь свой агентурно-диверсионный аппарат во Францию, а также помогает покинуть Испанию руководителям испанской компартии.
Находясь в Испании, Эйтингон своими глазами видел, что одной из причин поражения республиканцев стал троцкизм. В состав коалиционного правительства Народного фронта, наряду с коммунистами, входили троцкисты созданной в 1935 году в Барселоне партии ПОУМ — рабочей партии марксистского единства. В ее руководство входили бывшие секретари Троцкого: Андрес Нин — один из основателей партии, министр юстиции в правительстве Каталонии, и Эрвин Вольф. «Мы не ведем войну, мы делаем революцию» — один из их лозунгов. Они срывают установление в республиканской армии дисциплины, правильного централизованного построения армейских частей, подчинения их единому командованию.
В книге «Героическая Испания» (1936) говорится: «Самую гнусную и подлую роль в Испании играет в нынешней серьезной обстановке троцкизм. Недавно реакционный французский журналист Керилис, являющийся своим человеком в кругах французской полиции, сделал на страницах “Эко де Пари” сенсационное заявление о том, что, по неопровержимым данным французской полиции, так называемый IV Интернационал (троцкистский) теснейшим образом связан с гестапо и используется этим последним для разлагающей работы в рядах мирового рабочего движения. И, несомненно, всегда хорошо осведомленный Керилис не ошибается. Судебный процесс над главарями троцкистско-зиновьевской террористической шайки воочию показал всему миру, в чьих интересах, по чьим заданиям работают троцкистские выродки и кому они служат. Роль троцкистов в Испании лишь новое подтверждение того, что было вскрыто на московском процессе. В самом деле, что должны были бы делать фашистские агенты в Испании в нынешний момент напряженной борьбы народных масс против фашизма?
Они должны были бы пытаться вносить раздоры в среду организаций народного фронта. Это как раз и делают испанские троцкисты. Они пытаются проникнуть в разные организации народного фронта, чтобы натравить их одну на другую и тем самым ослабить единство борьбы испанского народа.
Фашистские агенты должны были бы сеять недоверие к правительству, чтобы ослабить оборону и открыть фронт врагу. Это и делают испанские троцкисты. <…> Сейчас, в дни героических усилий народа по отпору фашистским мятежникам, троцкистские провокаторы нападают на правительство и его мероприятия по организации обороны.
Фашистские агенты должны были бы пытаться деморализовать бойцов испанской революции нападками на СССР, попытаться дискредитировать его в глазах испанского народа. Но это и делают троцкистские провокаторы.
Фашистские агенты должны были бы выдвигать такие лозунги и провоцировать так движение, чтобы немецкий фашизм мог оправдать свое вмешательство. Троцкисты и это делают. “Неверно, что наши бойцы ведут борьбу за существование демократической республики”, — заявляет троцкистский орган в Барселоне “Ла Баталья”. А германские и итальянские фашисты, английские консерваторы поднимают эти заявления на щит, доказывая, что в Испании речь идет о борьбе не демократии с фашизмом, а пролетариата с буржуазной демократией.
Таково подлинное обличье контрреволюционного троцкизма, пытающегося нанести удар в спину испанской революции и испанскому народу».