После завершения шпионской миссии в СССР Пеньковскому обещали гражданство, высокую должность в США или Великобритании с окладом две тысячи долларов в месяц и по тысяче долларов за каждый месяц агентурной работы в СССР. Кроме встреч во время командировок в Лондоне у него было двое связных в Москве — «бизнесмен» Гревилл Винн и жена консула Аннет Чизхолм. Оба они работали на МИ‑6.
Провал случился не по вине Пеньковского. Наш советский агент в Англии, легендарный Джордж Блейк донёс КГБ о Чизхолм. Чекисты установили за дамой наружное наблюдение. Стало известно, что жена консула с завидной регулярностью встречается с неким типом в сером пальто в течении двух лет. Стало ясно, что он чекист, ибо легко уходил от «наружки». Наверное, на него бы махнули рукой, но его контакты были очень странными — встречи с американцами, британцами, походы в «Интурист». Его решили не брать, посмотреть, что за «сеть» орудует в Москве. А был он один!
КГБ провело беспрецедентную в практике спецслужб операцию, чтобы уличить врага: по дну Москвы-реки к чердаку в доме предателя, на Гончарной набережной, протянули кабель, управляющий кинокамерой в ящике для цветочной рассады, находившемся на балконе этажом выше квартиры шпиона. С помощью кинокамеры агента удалось заснять в момент, когда он переснимал на подоконнике секретные документы.
На суде в мае шестьдесят третьего года Пеньковский признал вину во всём и на телекамеры рассказывал о визитах в Лондон, о том, как примерял форму США на себя. Процесс был показательным. В зал иностранные наблюдатели не допускались, в советских газетах печатались стенограммы слушаний, изданные затем стотысячным тиражом. В мае же Пеньковского и расстреляли, а Винна приговорили к восьми годам. Главу КГБ Серова и маршала Варенцова сняли со своих должностей и понизили в званиях.
На самом деле Пеньковский был героем. Его как «крота» внедряли со времён турецкой командировки пятьдесят пятого года, но ЦРУ испугалось выйти на контакт. После настойчивых попыток он «внедрился» в шестьдесят первом году в ряды МИ‑6. Целью «крота» было дезинформирование противника. Прежде всего необходимо было сообщать американцам заниженные цифры по ракетному потенциалу, численности войск, агентов КГБ, ослабить бдительность. Все документы «делались» на Лубянке. В частности, обманом были сведения о том, что советские межконтинентальные баллистические ракеты (МБР) будто бы имеют недостаток — неточную систему прицеливания, и поэтому их невозможно использовать в качестве средства поражения в США. Американцам внушалось, что до политических центров на восточном побережье США наши ракеты не дотягивают.