Разоблачение Толкачёва было вызвано не расшифровкой методов агентурной работы, а изменой двух офицеров ЦРУ, Эдварда Ли Ховарда, а затем Олдрича Эймса. Ховард, не довольный своей карьерой в ЦРУ, был уволен в апреле 1983 года, но в начале 1983 года он уже знал о Толкачёве. Вероятнее всего, Ховард предал бесценного агента, сообщив о нем КГБ в сентябре 1984 года на встрече в Австрии. Эймс подтвердил информацию Ховарда, когда передал в мае и июне 1985 года имена других активных агентов ЦРУ, включая Полякова.
В течение пяти лет оперативные офицеры ЦРУ провели более 20 встреч с Толкачёвым. Ранее никогда не удавалось проводить столько встреч с агентурой в Советском Союзе. В марте 1979 года в отчете, представленном директору ЦРУ, особо подчеркивалось значение разведывательных сведений, которые начали поступать от Толкачёва, поскольку они были по-настоящему бесценными. Сообщение Толкачёва о советском самолете было исключительно качественным и детальным. Особенно важным для ЦРУ был сделанный Толкачёвым прогноз о перспективах советских вооружений в будущее десятилетие. Одна эта информация сэкономила миллиарды долларов американской государственной программе военных исследований и разработок.
Вот что пишет о Толкачёве Милтон Бирден: «Его производительность просто ошеломляла работников ЦРУ и сделала его тайной суперзвездой в аппарате национальной безопасности США. В Лэнгли любили говорить, что Толкачёв оплачивает счета ЦРУ за аренду служебных помещений и почти единолично оправдывает бюджет ЦРУ. Поступавшая от него информация позволяла ВВС США заранее узнать, что будет представлять собой следующее поколение советских истребителей, а это означало, что американские самолеты могли конструироваться так, чтобы они превосходили все, что может появиться у Советов. Среди многих секретов, которые Толкачёв передал за шесть лет, была информация об электронном оборудовании самолетов, о радарах, ракетах и других системах оружия для истребителя МиГ-23; о радарах и ракетном вооружении самолета МиГ-25; о появлении новых истребителей Су-27 и Миг-29 и их радарных установках. Информация Толкачёва также нередко показывала Пентагону, что американские исследования, имевшие своей целью выработку средств противодействия советским системам, шли в неверном направлении. В результате несколько американских оборонных программ были прекращены как бесперспективные. В декабре 1979 года ВВС полностью изменили концепцию электронного оборудования самолета Е-15, стоившую 70 миллионов долларов.