До 1952 года его карьера складывалась прекрасно. В 1939 году после окончания Киевского артиллерийского училища он становится кандидатом в члены партии. И тогда начинается его стремительный карьерный рост в качестве политрука. Он благополучно пережил советско-финляндскую войну — его артиллерийский полк стоял за линией фронта. В Великую Отечественную Войну на передовой он пробыл не больше полугода, служил в штабе Московского военного округа, командовал учебными частями и был личным адъютантом у будущего главного маршала артиллерии С. С. Варенцова. Этот человек был его «ангелом хранителем» на протяжении последующих двух десятков лет.
В 1945 году Пеньковский женился на 17-летней дочери другого своего начальника генерала Гапановича. В том же году он поступил в Военную академию им. М. В. Фрунзе. А с 1949 года началась его карьера профессионального разведчика. Он начал учиться в Военно-дипломатической академии (ВДА) — кузнице кадров советской военной разведки.
После окончания ВДА, в 1952 году, Пеньковского распределили в 4-е (восточное) управление в египетский отдел. В середине 1955 года он начал готовиться к первой зарубежной командировке в Турцию в качестве военного атташе и сотрудника ГРУ.
Образ офицера-фронтовика и «рыцаря плаща и кинжала» потускнел. Заурядная карьера штабного служаки, имеющего множество высокопоставленных покровителей. Эти люди старательно продвигали его вверх по служебной лестнице. В 1963 году почти все они расплатились своими карьерами за стремление помочь приятелю.
С 1955 года в жизни Пеньковского стали происходить события, труднообъяснимые с позиции обычной логики даже спустя сорок лет. Формально, и это признано следствием, его шпионская карьера могла закончиться в 1955 году в Турции, так и не успев начаться. Уже тогда о странном поведении полковника могли информировать не только коллеги по резидентуре, но и многочисленные советские агенты, работавшие в различных странах НАТО. Например, в Анкаре он продавал на местном рынке ювелирные украшения и фотоаппаратуру. Ему были нужны деньги на сувениры многочисленным «нужным» людям в Москве. Разумеется, времени на оперативную работу не оставалось. Да и не умел он вербовать агентов. Даже если бы захотел, то у него возникли бы большие трудности. Языковые. В Военно-дипломатической академии он учил английский язык. Правда, эти знания ему пригодились совсем для других целей.
На дипломатических приемах, загнав в угол очередного сотрудника ЦРУ или СИС (британская разведка), предлагал им прерывающимся шепотом сведения о советских планах на Ближнем Востоке. В ЦРУ внимательно изучили потенциального перебежчика и решили, что это очередная «подстава» русских. Все посольства стран НАТО в Турции получили приказ отказаться от услуг настырного полковника.
Другим увлечением советского военного атташе в Турции было регулярное информирование местной контрразведки о тайной деятельности своих коллег. Таким способом он хотел сместить своего начальника и занять пост резидента. Ему «повезло» — один из офицеров турецкой контрразведки владел английским языком и смог понять, что хотел сказать анонимный информатор. В результате один из сотрудников ГРУ был выслан из Турции, а карьера резидента была разрушена.
В 1956 году Пеньковского отозвали из командировки. Над ним начали сгущаться тучи. Его поведение в Анкаре вызвало массу вопросов у контрразведки. Существуют две версии, объясняющие, почему полковника только выгнали из ГРУ, а не отправили проходить дальнейшую службу в Сибирь или в Казахстан. В течение года он продолжал находиться в Москве в распоряжении управления кадров Министерства обороны.
По одной из них, официально признанной в Советском Союзе и на Западе, дальнейшее расследование блокировали многочисленные высокопоставленные «нужные» люди и «ангелы-хранители». По другой, неофициальной, уже тогда в Кремле было принято решение об использовании потенциального предателя в качестве «тайного канала» для передачи на Запад информации или дезинформации. Какие посты занимали эти люди? Знал ли сам Пеньковский об уготованной ему роли? Когда могла начаться эта операция? Это темы для отдельной книги.
В 1957 году Пеньковского назначили начальником курса в Военную академию им. Ф. Э. Дзержинского. В 1958—1959 годах вместе с 2500 старшими офицерами — артиллеристами он прошел обучение на высших инженерных курсах. Их обучали обслуживать ракетные установки, которые находились на вооружении Советской Армии в тот период. На эти курсы его устроил «ангел-хранитель» С. С. Варенцов.
В 1959 году он вновь возвращается в ГРУ. По утверждению многих источников, руководитель советской военной разведки генерал армии И. А. Серов (1958—1962) был одним из друзей Пеньковского. Во время одной из поездок в Лондон жены и дочери руководителя «Аквариума» полковник сопровождал их в качестве гида, выступив организатором и экскурсоводом во время их шоптура по Англии.