Eduardo foi preso em uma emboscada no dia 23 de setembro de 1971, quando se encontrava com outros militantes da ALN – Antônio Sérgio de Mattos, Manoel José Nunes Mendes Abreu, Ana Maria Nacinovic Corrêa – no bairro do Sumarezinho, em São Paulo. Apenas a guerrilheira Ana Maria Nacinovic conseguiu escapar sem ser presa, vindo a ser assassinada posteriormente, no dia 14 de junho de 1972. Os órgãos da repressão colocaram na rua um jipe do Exército, aparentemente com problemas, estando os soldados parados à volta portando metralhadoras. Os agentes do DOI-CODI/SP ficaram escondidos em um caminhão baú do jornal Folha de São Paulo. Do ardil resultou a morte de três dos quatro militantes, incluindo Antônio Sérgio de Mattos. Ana Maria Nacinovic Corrêa conseguiu escapar sem ser presa, sendo morta no ano seguinte, em 14 de junho de 1972. A versão oficial registrou que os três militantes morreram no local, ao tentar assaltar o jipe. As requisições de exame necroscópico ao IML foram assinadas pelo delegado do DOPS/SP, Alcides Cintra Bueno Filho, e os laudos necroscópicos pelos legistas Isaac Abramovitc e Antônio Valentini. Esses documentos já apresentam contradições em relação à versão oficial de morte tendo em vista a diferença de horário que teriam sido encontradas as vítimas: Antônio Sérgio e Manoel Mendes teriam sido encontrados mortos às 16 horas, enquanto Eduardo, às 15 horas. Os corpos dos três deram entrada no Instituto Médico-Legal (IML) às 18h40min, apesar de o local do tiroteio ser muito próximo à sede do IML. Deve-se registrar que não foi realizada perícia no local, tendo Suzana Keniger Lisbôa afirmado na 117ª audiência da Comissão da Verdade do Estado de São Paulo “Rubens Paiva”, no dia 19 de março de 2014, que houve […] uma emboscada em que os órgãos de segurança se prepararam para matar, eles se organizaram para matar. E fica mais estranho ainda saber que eles não tenham feito isso de forma contínua, realizando, por exemplo, a perícia de local, mostrando as armas nas mãos de cada um dos militantes […]. A descrição dos ferimentos no laudo do Instituto Médico-Legal (IML) também não entra em acordo com a versão de morte em tiroteio e algumas equimoses e edemas perceptíveis nas fotos não foram descritas. Apesar de o laudo de Eduardo identificar dois tiros na região glútea e dois na perna, eles não foram apontados como ferimentos capazes de provocar morte imediata, mas apenas imobilizá-lo. Suzana Keniger Lisboa, na 117ª audiência da Comissão da Verdade do Estado de São Paulo Rubens Paiva, no dia 19 de março de 2014 asseverou que: o laudo de necropsia descreve quatro tiros nos órgãos inferiores. Ele tem um ferimento no sulco glúteo esquerdo, que depois de fraturar o fêmur e provocar ferimento na artéria femoral, saiu no anteromedial, saiu na coxa esquerda, na parte medial da coxa esquerda. Ele tem escoriações que são mostradas – inclusive uma provocada por raspão de projétil de arma de fogo, mas que a gente não tem foto para ver, que é na fossa ilíaca – tem um ferimento na perna esquerda e tem outro no glúteo direito que transfixou o rim e saiu na região lombar. Tem também contusão no terço superior da perna direita. Segundo, na época, as informações que a gente teve de análise rápida dos legistas, nenhum desses tiros poderia ter causado a morte imediata, a não ser que tenha havido realmente a omissão de socorro. […] Ele teve dois tiros na região glútea e dois nas pernas. Então, esses disparos já imobilizaram, impedindo a fuga, ou ele foi retirado dali e foi levado para algum lugar, ou não se sabe. O laudo de Antônio Sérgio e de Manoel José também dá margem a questionamentos. Contudo, não foram encontrados dados mais contundentes que confirmem com precisão onde os militantes teriam morrido. Apesar disso, a família de Eduardo conseguiu sepultá-lo no Cemitério São Pedro, no dia 30 de outubro de 1971.
Diante das circunstâncias do caso e das investigações realizadas, conclui-se que Eduardo Antônio da Fonseca morreu em decorrência de ação perpetrada por agentes do Estado Brasileiro, em contexto de sistemáticas violações de direitos humanos promovidas pela ditadura militar, implantada no país a partir de abril de 1964. Recomenda-se a retificação da certidão de óbito de Eduardo Antônio da Fonseca, a declaração da condição de anistiado político post mortem, assim como a continuidade das investigações sobre as circunstâncias do caso, para a identificação e responsabilização dos demais agentes envolvidos.