Sen McCain har upprepade gånger uppmanat USA att ge militärt bistånd till medlemmar av Syriens uppror.
Han blir den högst rankade amerikanska tjänsteman att resa till Syrien, även McCain talesman Brian Rogers inte ge mer information om besöket.
Nyheten om resan kom som USA: s utrikesminister John Kerry träffade sin ryska motsvarighet Sergey Lavrov i Paris.
USA ger för närvarande icke-dödligt stöd till oppositionsgrupper i Syrien, där uppskattningsvis 70.000 människor har dödats sedan våldet bröt ut i mars 2011.
Rebellerna kräver vapen.
Sen McCain, den främsta republikanen i senatens väpnade kommitté, anses ha kommit in i Syrien genom Turkiet och var på plats där i flera timmar.
Han reste med den syriska insatsstyrkan och träffade general Salim Idris, stabschef för rebellernas fria syriska armé, samt 18 andra rebellbefälhavare, har BBC lärt sig.
Gen Idris krävde vapen för att fortsätta sin kamp, liksom en flygförbudszon och flyganfall mot regeringsmål.
Allt detta är steg som Arizona Sen McCain tidigare har uppmanat Obama-administrationen att ta.
Gen Idris uppmanade också till flyganfall mot styrkorna i Hizbollah, den libanesiska militanta gruppen vars styrkor har kämpat i Syrien för president Bashar al-Assad.
Sen McCain - som var republikansk presidentkandidat 2008 - har upprepade gånger uppmanat till mer kraftfullt amerikanskt stöd till syriska rebeller och uppmanat USA:s kryssningsrobotar att rikta in sig på syriska regeringsstyrkor.
Efter obekräftade rapporter förra månaden om att syriska regeringsstyrkor hade använt kemiska vapen mot rebeller, förnyade den hökiska 76-årige senatorn sina uppmaningar om att upprätta en flygförbudszon.
Han har också upprepade gånger uppmanat rebellerna att vara beväpnade.
Men Obama-administrationen har demurrat, bland farhågor om att vapen kan falla i händerna på al-Qaidas sympatisörer.
Tidigare denna månad gick USA:s ambassadör till Syrien Robert Ford kort in i norra Syrien för att träffa oppositionsledare - vid sitt första besök i landet sedan han åkte i februari 2012 när USA stängde sitt uppdrag där.
Senator John McCain har besökt Syrien för att träffa rebeller i det krigshärjade landet, hans kontor har berättat för BBC.