Före detta Milano stationschef Robert Lady hade släppts och hade bordat en USA-flyget, sade amerikanska tjänstemän.
Damen dömdes till nio års fängelse för hans inblandning i bortförandet 2003 av mannen - en egyptisk präst - i Milano.
Den präst, känd som Abu Omar, lär ha flugits till Egypten och torterats.
2009 dömdes Lady i sin frånvaro med 22 andra amerikaner för deras roll i hans "extraordinära överlämnande".
Han lär ha gripits på onsdag nära Panamas gräns till Costa Rica.
Enligt italienska medierapporter söktes en internationell husrannsakan för Lady av justitieministern i Italiens tidigare regering i december 2012.
Rättegången i Milano var den första som omfattade extraordinära överlämnanden, CIA:s praxis att överföra misstänkta till länder där tortyr är tillåten.
Denna praxis har av människorättsgrupper fördömts som ett brott mot internationella avtal.
Hassan Mustafa Osama Nasr, även känd som Abu Omar, ansågs vara misstänkt för terrorism av USA.
Han fördes bort på en gata i Milano i februari 2003 och förflyttades mellan amerikanska militärbaser i Italien och Tyskland innan han fördes till Egypten.
Tjugotvå CIA-agenter, däribland Lady och en pilot från flygvapnet, dömdes 2009 för att ha kidnappat prästen. Deras domar bibehölls förra året av Italiens högsta appellationsdomstol.
Ytterligare tre amerikaner, däribland polischefen Jeffrey Castelli från CIA Rom, dömdes av en appellationsdomstol i februari.
Ingen av de 26 dömda har någonsin dykt upp i en italiensk domstol, och bara två har haft någon kontakt med sina advokater.
Lady uppges ha rusat tillbaka till USA 2007, när domstolsförhandlingar började i Milano för att avgöra om de 23 amerikanerna skulle ställas inför rätta.
Han sa att han motsatte sig förslaget om att kidnappa imamen, men blev överstyrd.
Italien hade tidigare sagt att Lady var den enda av de 23 amerikaner som kunde utlämnas, med tanke på längden på hans straff.
En ex-CIA station chef hålls i Panama efter att ha dömts i Italien för kidnappning av en terroristmisstänkt är ""en väg"" till USA, säger tjänstemän.