В 1946 году Мередит Гарднер смог прочесть сообщение от 1944 года и понял, что речь идет об атомном шпионаже. Летом 1946 года группе Гарднера удалось расшифровать фразу из донесения нью-йоркского резидента НКВД, посланного в Москву 10 августа 1944 года. Затем была прочитана целая депеша – донесение о президентских выборах 1944 года. Проект «Венона» был расширен.
20 декабря 1946 года на стол начальника американской военной разведки генерала Картера Кларка легла депеша, содержавшая список ученых, занятых в «Манхэттенском проекте». Очень медленно и методично сотрудники Арлингтон-Холла, сверяя свою работу с результатами, полученными другими методами (в частности, анализом радиообмена), и информацией от перебежчиков, расшифровывали одно советское донесение за другим. Из нескольких сот тысяч перехваченых советских разведдонесений криптоаналитикам «Веноны» удалось прочесть приблизительно 2900, подавляющее большинство из которых относилось к периоду 1942–1945 гг.
В 1947 году в курс дела было введено ФБР, которое на длительный период подключило к Мередиту Гарднеру своего офицера Роберта Лэмфера. При этом о «Веноне» по соображениям секретности не докладывали даже президентам США Рузвельту и Трумэну.
В мае 1947 года группа Гарднера расшифровала донесение, из которого явствовало, что в военное министерство США внедрен агент НКВД – летчик военно-воздушного корпуса сухопутных войск (военной авиации как особого вида вооруженных сил США тогда еще не существовало) майор Уильям Людвиг Ульман. Постепеннно перед генералом Кларком вырисовывались контуры разветветленной сети, созданной в Америке советской разведкой.
Осенью 1945 года американцам крупно повезло. 5 сентября в Оттаве в редакцию газеты «Оттава Джорнэл» пришел шифровальщик советского посольства Игорь Гузенко и, вкратце сообщив о себе, попросил содействия в предоставлении ему политического убежища. Но журналисты не поверили ему и отказались разговаривать. Так же отреагировала и канадская полиция. Гузенко вернулся в дом, где проживал, и спрятался в соседней квартире. К этому времени в советской резидентуре объявили тревогу (пропал шифровальщик). К Гузенко приехали сотрудники советского военного атташата и попытались взломать его дверь. Полицейские пресекли это нарушение порядка и взяли Гузенко под свою защиту. Так он оказался первым послевоенным перебежчиком.
Канадские власти передали Гузенко американцам. Предатель явился к ним не с пустыми руками, а прихватив портфель с совершенно секретными документами, раскрывающими цели и задачи резидентуры ГРУ в Канаде. Использовав эти материалы, контрразведывательные службы США и Канады разоблачили ряд агентов советской разведки. Раскрыв разведывательную сеть ГРУ (об агентах внешней разведки он не знал) в самой Канаде, Гузенко также предоставил дополнительные доказательства разведывательной деятельности в США Элджера Хисса и Гарри Декстера Уайта (об этих людях ниже), а также улики, приведшие к осуждению в 1946 году в Англии «атомного шпиона» Нанна Мэя и ключи к личности советского агента в британской разведке Лео Лонга.
Кроме того, в украденных Гузенко документах были подробно описаны принципы шифрования, применявшиеся в НКГБ и ГРУ, что имело прямое отношение к операции «Венона». Именно Гузенко сделал возможным настоящий прорыв американских криптоаналитиков в Арлингтон-Холле.
Почти в то же самое время из-за предательства едва не провалился Ким Филби. 4 сентября 1945 года заместитель резидента НКГБ в Турции Волков попросил политическое убежище в Стамбуле. Благодаря энергичным действиям Филби этот побег удалось предотвратить, но в оставленной Волковым записке говорилось, что среди самых важных советских агентов двое находятся в британском министерстве иностранных дел, а семеро – «в британской разведывательной системе», один из которых «выполняет функции главы отдела британской контрразведки в Лондоне».
В 1948 году американцы с помощью «Веноны» выяснили, что на советскую разведку работает некий британец «Гомер», хорошо информированный о ядерном проекте и, скорее всего, живший в США. Трумэн сообщил об этом британцам. Первоначально в круг подозреваемых вошли более 7 тысяч человек. Только к апрелю 1951 года список подозреваемых сузился до 9 персон. Упоминание о том, что «Гомер» дважды ездил в Нью-Йорк, чтобы навестить там свою беременную жену, и замечание, что он любит путешествовать, позволили англичанам проследить утечку информации до ее источника – первого секретаря их посольства в Вашингтоне Дональда Маклейна – одного из легендарной «кембриджской пятерки». Но прежде чем британские разведслужбы приняли решение допросить его, советская разведка уже знала об этом от Кима Филби. 17 мая 1951 года из Москвы Маклейну были посланы рекомендации покинуть Англию вместе с другим членом «кембриджской пятерки» Гаем Берджесом. Ночью 25 мая 1951 года Маклейн и Берджес исчезли из Англии.