Наблюдения за Пеньковским осуществлялись круглосуточно, и скоро у нас появились убедительные доказательства его виновности. В январе он и Жаннет Чизхолм были засняты на пленку, когда они заходили и выходили из здания, где они встречались с «завидной регулярностью», как отмечалось в сводках бригад наружного наблюдения. Мы скоро установили, что агент, получивший у англичан псевдоним «Алекс», передавал секреты не только им, но, как он сам об этом позже узнал, все это шло и к американцам. Сбор неопровержимых доказательств шпионской деятельности Пеньковского занял много месяцев. Жена Чизхолма в июне уехала в Англию, но с Пеньковским продолжали работать другие английские разведчики.
Теперь нам предстояло решить, что делать с Пеньковским. Было установлено, что он продолжал передавать на Запад документы, хотя ему под благовидным предлогом был закрыт доступ в Библиотеку ГРУ, откуда он брал большую часть материалов. Мы также узнали о его планах бегства из СССР. Но нам было важно, чтобы он об этом не догадывался и соответственно не мог предупредить ЦРУ или СИС. Наконец, 22 октября 1962 года он был арестован специальным подразделением КГБ. Его сообщник Винн был арестован в Венгрии и привезен для суда в Москву.
Пеньковский во всем признал себя виновным. Он рассказал о своей первой попытке вступить в контакт с американцами в Москве в 1960 году. Подойдя однажды к приехавшим в Москву американским студентам, он попросил их передать в ЦРУ его письмо. Они отнесли письмо в американское посольство. В письме Пеньковский рассказал о себе и предложил свои услуги по передаче Соединенным Штатам интересующих их сведений. Американцы сначала подозрительно отнеслись к такому предложению, и Пеньковский был вынужден сделать еще три неудачные попытки, пока не установил контакты с английской разведкой через коммерсанта Гревила Винна. Он начал сотрудничать с англичанами, а они через некоторое время объединились с американцами для совместной работы с агентом. Пеньковский использовал три небольшие фотокамеры «Минокс» — любимый инструмент всех шпионов, позволяющий без перезарядки делать до 50 снимков. Во время суда над Пеньковским было установлено, что за время своей шпионской деятельности им было сфотографировано и передано ЦРУ и СИС более 5000 снимков с секретной информацией военного, политического и экономического характера.
Арест Пеньковского произошел в момент острого осложнения международной обстановки. В это время ухудшились отношения между руководством СССР и США, возглавляемым соответственно Н. Хрущевым и Дж. Кеннеди. Еще за два года до этого инцидент с американским самолетом-шпионом У-2, пролетавшим и сбитым над территорией СССР в мае 1960 года, похоронил надежды на разрядку напряженности между двумя странами. Когда Кеннеди сменил на посту президента США генерала Эйзенхауэра, Хрущев попытался воспользоваться молодостью нового американского лидера, которого он считал слабым и неопытным. Отношения между двумя странами резко осложнились. В 1961 году Соединенные Штаты потерпели фиаско с высадкой на Кубе мятежников, борющихся с режимом Фиделя Кастро, что вызвало возмущение и ярость в странах советского блока. Во время встречи в том же году лидеров двух стран на саммите в Вене Хрущев грубо и вызывающе вел себя с американским президентом.
Два месяца спустя была построена знаменитая Берлинская стена, разделившая город на две части — западную и восточную. А затем произошло еще более серьезное событие. За день до ареста Пеньковского президент Кеннеди выступил по американскому телевидению с заявлением, что Москва разместила на Кубе баллистические ракеты, вооруженные ядерными боеголовками.
Пеньковский работал на иностранные разведки с апреля 1961 года по сентябрь 1962 года под разными псевдонимами, включая «Него» (ЦРУ) и «Yoga» (СИС). До сих пор оспаривается истинная ценность переданной им информации. Западные аналитики считают, что полученные от Пеньковского сведения позволили Кеннеди вынудить Хрущева отказаться от намерения подписать в 1961 году договор, закрепляющий разделение Берлина. Пеньковскому также приписывают передачу американцам информации, позволившей Соединенным Штатам занять твердую позицию в период кубинского кризиса, что заставило Хрущева пойти на попятную и убрать с территории Кубы ракеты, тем самым сняв угрозу развязывания ядерной войны.