Как следовало из плана виллы Троцкого, обнаруженного швейцарской полицией в чемодане Росси после убийства Порецкого в 1937 году, Троцкий находился под плотным наблюдением НКВД с момента прибытия в Мексику. В 1948 году Владимир Петров, позднее бежавший на Запад, имел возможность ознакомиться с одним из досье по убийству Троцкого. Это была папка толщиной в четыре или пять дюймов, содержавшая снимки, сделанные изнутри виллы и изображающие охранников, заборы, Троцкого с женой, Троцкого, пьющего чай с друзьями, собаку Троцкого, а также многое другое. Видимо, в окружении Троцкого в разное время действовало различное количество внедренных агентов НКВД, причем ни один из них наверняка не догадывался об остальных. Первым агентом, как запомнил Петров из знакомства с досье, была женщина-секретарь, завербованная еще во время норвежской ссылки Троцкого. Впрочем, самым влиятельным агентом в окружении Троцкого был Рамон Меркадер.

Меркадера прекрасно подготовили. Несмотря на месяцы интенсивных допросов, последовавших за арестом, он так ничего и не сообщил ни о себе (его личность была установлена лишь в 1953 году), ни о своей работе на НКВД. Он показал себя чрезвычайно умным, физически тренированным человеком, искусным актером; бегло говорил на нескольких языках и отличался редким самообладанием. Сильвия Агелофф признавала, что ей никогда не доводилось сомневаться в любви к ней Меркадера до тех пор, пока тот не совершил покушение на Троцкого. Продолжительное психологическое тестирование показало, что Меркадер обладал необычайно быстрой реакцией, почти фотографической памятью, способностью ориентироваться в темноте, умением быстро усваивать и запоминать сложные инструкции. Кроме того, он способен был в темноте разобрать и собрать винтовку «Маузер» за три минуты и сорок пять секунд.

В сентябре 1939 года в Нью-Йорке Меркадер присоединился к своей любовнице, стороннице Троцкого, Сильвии Агелофф. Он путешествовал по поддельному канадскому паспорту на имя Фрэнка Джэксона (причем в НКВД фамилию Jackson весьма эксцентричным образом изобразили как Jacson), полученному от добровольца из «интернациональных бригад». В Нью-Йорке он вступил в контакт с резидентом НКВД Гаиком Овакимяном, через которого получил большую часть инструкций для покушения на Троцкого. Следуя инструкциям НКВД, в октябре 1939 года Меркадер переехал в Мехико, якобы для работы в экспортно-импортной фирме. Там он возобновил отношения со своей матерью и ее любовником Наумом Эйтингоном. В январе 1940 года Сильвия Агелофф, поддавшись уговорам Меркадера, переехала к нему в Мехико. Агелофф связалась со своим гуру. Львом Троцким, на что, вне всякого сомнения, и рассчитывал Эйтингон, и в течение двух месяцев выполняла обязанности его секретарши. Меркадер каждый раз подвозил ее к вилле Троцкого и забирал после работы. Во время пребывания Агелофф в Мексике, Меркадер не предпринимал никаких попыток проникнуть на виллу, однако он успел примелькаться охранникам и завоевать доверие французских учеников Троцкого, Альфреда и Маргариты Росмер. Вскоре после возвращения Агелофф в Нью-Йорк в марте 1940 года Росмеры впервые пригласили Меркадера на виллу.

На данном этапе Меркадер скорее выступал в роли внедренного агента, нежели убийцы. Вилла к тому времени была превращена в крепость, защищенную железными решетками, проводами с пропущенным по ним электрическим током, автоматической системой сигнализации, пулеметами, постоянным отрядом из десяти полицейских и неофициальными часовыми-троцкистами. Главной задачей Меркадера была добыча необходимых для планирования вооруженного нападения данных об обороне виллы, ее обитателях и охранниках. Нападением руководил знаменитый мексиканский коммунист и художник, Давид Альфаро Сикейрос, ветеран «интернациональных бригад» времен Гражданской войны в Испании. За несколько минут до четырех часов утра 23 мая группа под предводительством Сикейроса, насчитывавшая более двадцати человек, одетых в полицейскую и армейскую униформу, застав врасплох и ошеломив охрану, изрешетила спальни виллы пулеметным огнем. Позже Сикейрос сделал совершенно неправдоподобное заявление, согласно которому целью рейда было не убийство Троцкого, а эффективный протест против его пребывания в Мексике. Выпущенный на свободу под залог, Сикейрос бежал из Мексики с помощью чилийского поэта-коммуниста Пабло Неруды.

Через пять дней после нападения Меркадер впервые встретился с Троцким. Как всегда, — само дружелюбие, он подарил внуку Троцкого игрушечный планер и научил запускать его. В течение следующих трех месяцев он посетил виллу десять раз, ни разу не оставаясь слишком долго, иногда привозя небольшие подарки. С Троцким он виделся лишь два или три раза. Вполне вероятно, что он два раза ездил в Нью-Йорк на встречу с Овакимяном для завершения подготовки к покушению. 20 августа Меркадер прибыл на виллу с собственной статьей, которую Троцкий согласился прокомментировать. Привез он с собой и кинжал, зашитый в подкладку плаща, револьвер — в одном кармане и альпинистский ледоруб — в другом. Орудием убийства суждено было стать ледорубу. Зачем Меркадер привез с собой кинжал, остается неизвестным. Возможно, он спрятал его в плаще на тот случай, если будет найдено остальное оружие.

НКВД пользовалось сходными методами и прежде. Зимой 1938—1939 годов офицер НКВД по фамилии Боков был вызван Берией, который поинтересовался, достаточно ли у него силы, чтобы убить человека одним ударом. «Да, товарищ комиссар», — ответил Боков. Берия объяснил, что, по сведениям НКВД, один из советских послов на Ближнем Востоке собирается просить политического убежища. Бокова с помощником отправили в командировку с задачей «обезвредить» посла. По прибытии в страну Боков получил от резидента НКВД короткий металлический брусок. Тот спрятал его в одежде, а затем вместе с помощником и резидентом отправился к послу с визитом вежливости. Бокову удалось встать за спиной у посла, после чего он нанес ему смертельный удар по голове. Вместе с помощником они завернули тело посла в ковер, чтобы не обнаружились пятна крови, запихнули его в машину, вывезли за город и похоронили. Жене посла сообщили, что мужа срочно вызвали в Москву и что перед отъездом он распорядился, чтобы она и дети следовали за ним на поезде. Можно предположить с минимальной вероятностью ошибки, что по дороге в Москву семья посла была снята с поезда и отправлена в лагерь для «врагов народа».