В СССР по факту бегства Носенко было заведено уголовное дело под кодовым названием «Ирод». 22 июня 1964 года обвинительное заключение против Носенко, подготовленное в результате проведенных следственных действий, было утверждено заместителем Главного военного прокурора и направлено в Военную коллегию Верховного суда СССР, которая вынесла следующий приговор:
«Носенко Юрия Ивановича признать виновным в измене Родине и на основании пункта „а“ статьи 64 УК РСФСР подвергнуть смертной казни — расстрелу с конфискацией всего лично ему принадлежащего имущества.
На основании статьи 36 УК РСФСР лишить Носенко воинского звания „капитан“ и внести предложение в Президиум Верховного Совета СССР о лишении его правительственных наград.
Внести представление Председателю Комитета Государственной Безопасности при СМ СССР о лишении Носенко медали „За безупречную службу III степени“.
Приговор обжалованию и опротестованию в кассационном порядке не подлежит».
В результате проведенного в КГБ служебного расследования многие сослуживцы перебежчика понесли наказание. Начальник Второго главного управления генерал-майор Грибанов Олег Михайлович был отстранен от должности, а больше сотни сотрудников отозваны из зарубежных командировок и стали невыездными.
Опасаясь, что ЦРУ не выполнит своих обещаний, Носенко занервничал и стал топить свои переживания в алкоголе, что вскоре перешло в беспрерывный запой, и новая жизнь в Америке превратилась в кошмар.
Джеймс Джезус Энглтон, начальник контрразведки ЦРУ, считал, что побег Носенко служил способом, во-первых, чтобы отвлечь внимание от информации настоящего перебежчика Анатолия Голицына о «кротах» в ЦРУ, во-вторых, чтобы довести до Запада информацию о том, что КГБ не имеет никакого отношения к Освальду и к убийству Кеннеди. Эти подозрения на первый взгляд казались обоснованными.
Действительно, было весьма странно слышать, что КГБ не проявил внимания к Освальду, бывшему морскому пехотинцу, да еще и служившему оператором радара на военной базе самолетов-разведчиков U-2 в Ацуги в Японии. К тому же, если Освальд убил президента по собственной инициативе, то вполне вероятно, что советское руководство могло «подкинуть» ЦРУ перебежчика в лице Носенко, чтобы убедить администрацию США в своей непричастности к убийству.
По указанию Энглтона 4 апреля 1964 года сотрудники ЦРУ провели допрос с пристрастием. Носенко был подвергнут проверке на детекторе лжи. А чтобы заставить его говорить правду, было решено, независимо от фактических результатов проверки, сказать ему, что ее он не прошел, то есть уличен во лжи.
«Сотрудники ЦРУ стали кричать, что я вру, и в комнату немедленно ворвались несколько охранников, — вспоминал Носенко. — Они приказали мне встать к стене, раздеться и обыскали меня. После этого повели наверх, в одну из комнат на чердаке. Там была только металлическая кровать, прикрепленная к полу. Мне не сказали, для чего меня поместили сюда и на какой срок. Через несколько дней сотрудники ЦРУ начали допрос. Я старался сотрудничать добросовестно и вечерами даже записывал все, что мог вспомнить о КГБ. Допросы длились два месяца, и были очень грубы и враждебны. Затем они вообще перестали приходить».
В изоляции Носенко находился с апреля 1964 года по декабрь 1968 года. Особенно тяжелыми условия заключения были в учебном центре ЦРУ, на так называемой «Ферме», где Носенко содержался с августа 1965 года по октябрь 1967 года.
Носенко доставили туда в наручниках, с завязанными глазами и поместили в бетонную камеру с решетками на дверях. В камере была только узкая железная кровать с матрасом, а постельное белье отсутствовало. Днем и ночью за ним наблюдали охранники. Чтобы чем-то занять себя, Носенко тайно из ниток разного цвета смастерил шахматы, но во время регулярно проводившегося обыска они были конфискованы.
Только спустя год с лишним ему разрешили 30-минутные прогулки на свежем воздухе в огороженном бетонным забором дворике и занятия физическими упражнениями.
Все это время Носенко интенсивно допрашивали, зачастую с применением все того же детектора лжи. Надо сказать, что все допросы ничего, кроме ничтожных деталей, не добавляли нового к уже сказанному.
Руководство ЦРУ, между тем, требовало от Энглтона окончательного разрешения сложившейся ситуации.
В 1967 году новый директор ЦРУ Ричард Хелмс поручил сотруднику управления безопасности Брюсу Соли вернуться к рассмотрению вопроса о причинах ухода Носенко на Запад.