Тайком, когда Пеньковского не было дома, в его квартире провели обыск и обнаружили шифровальные блокноты, фотоаппараты, фальшивый паспорт, фотопленки с заснятыми на них секретными материалами, средства тайнописи, инструкции по приему радиопередач и пользованию шифрблокнотами. Результаты были настолько ошеломляющими, что предателя решили брать немедленно. 22 октября 1962 года О. Пеньковского арестовали. А 2 ноября был схвачен в Будапеште и переправлен в Москву Г. Винн.
11 мая 1963 года над Пеньковским и Винном состоялся суд, который проходил в клубе им. Дзержинского, рядом с главным зданием КГБ. В зале, куда пропускали только по пригласительным билетам, собралось более двух тысяч человек. В основном это были сотрудники ГРУ, КГБ и военные. Показательный процесс преследовал, кроме всего, и воспитательные цели. Военная коллегия Верховного суда СССР признала О. Пеньковского и Г. Винна виновными в шпионаже. Пеньковский был приговорен к смертной казни, Винн – к восьми годам заключения.
Советские власти позже объявили, что Пеньковский был расстрелян 17 мая 1963 года – через пять дней после вынесения приговора. Винн отсидел всего лишь один год из восьми. 22 апреля 1964 года его обменяли на советского агента Конона Молодого, арестованного под именем Гордона Лонсдейла в Англии в январе 1961 года. На этом вроде бы все и закончилось, однако у этой истории есть мощное продолжение. Начальник ГРУ И. Серов был разжалован в генерал-майоры и уволен (по некоторым данным, он покончил с собой). Из ГРУ и КГБ уволили в общей сложности около 300 сотрудников. Поскольку Пеньковский знал многих советских разведчиков, те были срочно отозваны из-за границы.
Официальная пропаганда характеризовала