Дня через три, вечером, Филатов отправился в магазин за продуктами, который располагался в километре от его местожительства. Возвращаясь из магазина с покупками в руках, он встретил Нади за рулем машины. Они мило поприветствовали друг друга, и она радостным голосом сказала, что нашла очень интересную книгу по этнографии Алжира и готова на время отдать ее, но нужно заехать за ней домой.
В квартире Нади дала ему объемную книгу на французском языке, он занялся ее просмотром, а она пошла готовить кофе. Поставив на стол кофе и бутылку коньяка, Нади включила музыку. Весело болтая, они выпили, потом еще и еще. Вскоре вдвоем оказались в постели. От Нади он ушел через час с книгой в руке и предчувствием какой-то свершившейся большой беды.
Через несколько дней Филатов после работы возвращался из советского посольства домой. На одной из улиц остановилась машина и сидевший за рулем мужчина лет 45 предложил подвезти его. Филатов сел в машину, сообщил, что является сотрудником советского посольства. Мужчина представился ему Э. Кейпом, 1-м секретарем специальной американской миссии-службы зашиты интересов США при посольстве Швейцарии в Алжире.
Недалеко от дома Филатова Кейн остановил машину, вытащив из кармана конверт и предложил посмотреть Филатову его содержимое. Филатов увидел около десятка фотографий, запечатлевших его интимную встречу с Нади. Кейн заявил, что хочет его выручить и предложил изредка встречаться с ним для обмена мнениями о событиях в Алжире. Филатов понял, что Кейн вербует его. Он высказал опасение, что последствия подобных встреч могут стать для него нежелательными и опасными. Кейн настаивал, что встречи их будут редкими и предложил ему подумать, назначив день следующей встречи.
Позже, Филатов посещал Кейна на вилле Святая Катерина и на конспиративной квартире. За время сотрудничества с американской разведкой он передал Кейну ценную информацию о ГРУ Генштаба и вооруженных силах Алжира.
Затем Филатов был передан на связь другому сотруднику ЦРУ. Перед своим отъездом на Родину, на конспиративной квартире он получил задание о сборе в СССР информации разведывательного характера, а также подробные указания о способах поддержания конспиративной связи с разведкой США, прошел спецподготовку, необходимую для работы с шифрами, средствами тайнописи, миниатюрной фотоаппаратурой и организацией приема запланированных для него кодированных радиограмм.
Немного позже, от того же сотрудника ЦРУ Филатов получил шпионское снаряжение: две инструкции по сбору и условиям передачи разведке США интересующих ее сведений, в том числе о способах дальнейшей связи, средства для тайнописи, письма прикрытия для нанесения тайнописи и пересылки шифрованной информации по почтовому каналу, миниатюрный фотоаппарат, закамуфлированный под газовую зажигалку, стереофонические головные телефоны-наушники, специальный прибор-приставку к приемнику для точной настройки радиоприемников на заданные частоты. Вместе с шпионским снаряжением Филатову вручили советские деньги в сумме 40 тыс. рублей и 24 золотые монеты царской чеканки, достоинством 5 руб. каждая. Ранее Филатов получил от американцев вознаграждения за шпионскую работу в размере 10 тыс. алжирских динаров. Перед самым отъездом в СССР американцы выдали ему еще 5000 руб. Тогда же ему сообщили, что на его имя в одном из иностранных банков ежемесячно будет зачисляться 800 долларов США.
В СССР Филатов продолжил свою связь с американской разведкой.
10–14 июля 1978 г. Военная коллегия Верховного суда СССР в закрытом судебном заседании в Москве рассмотрела уголовное дело по обвинению А.Н. Филатова и приговорила его к исключительной мере наказания — расстрелу.
После осуждения к смертной казни Филатова его жена, Тамара Спиридоновна, преподавательница одной из московских школ, была допущена к нему в Лефортовский изолятор. На этой встрече он подробно рассказал ей, что работал на американцев и был их агентом на протяжении довольно длительного времени. Он плакал, умолял простить его, просил ничего не говорить детям, что он осужден как изменник Родины. Сообщил ей, что из тюрьмы написал письмо президенту США Дж. Картеру, в котором указывал, что работал на них и хочет, чтобы тот спас ему жизнь. Это письмо-обращение он вручил руководству изолятора и просил отправить его в США, но боится, что оно по каким-либо причинам, в Белый дом не дойдет. В связи с этим просил жену написать Картеру или какому-нибудь высокопоставленному чиновнику из администрации президента США и попросить их вмешаться в его защиту.
После разговора с мужем, Тамара Спиридоновна встретилась с иностранными корреспондентами и рассказала им об этом письме. 2 сентября 1978 г. газета «Балтимор сан» со ссылкой на агентство «Ассошиэйтед пресс», а 3 сентября того же года газеты «Вашингтон пост» и «Вашингтон стар» с ссылками на то же агентство поместили статьи о встрече жены Филатова с западными корреспондентами в Москве.