В июле 1938 г. через Канаду в США бежал с женой, дочерью и кассой барселонской резидентуры (500 тысяч долларов по нынешнему курса) руководитель представительства НКВД в Испании А. М. Орлов (он же Л. Л. Фельдбин, он же «Швед») В августе его канадский кузен Н. Курник передал в посольство СССР в Париже письма «Шведа» наркому НКВД Ежову, где Орлов объяснял свой уход на Запад грозившими ему и близким в Советском Союзе необоснованными репрессиями – и дал понять, что в случае, если его родственники на родине пострадают от рук чекистов, то «Швед» предаст огласке известные ему подробности работы советской разведки как в Испании, так и в Великобритании и Франции, которую Орлов в своем послании назвал «страной «Финна». Н. И. Ежов был вынужден доложить об этом письме И. В. Сталину, который лично приказал чекистам воздержаться от дальнейших преследований А. М. Орлова и его близких. Однако этот приказ никак не касался зарубежных коллег и подчиненных Орлова, которых тогдашнее руководство НКВД сочло виновными в передаче «Шведу» крайне опасной для Кремля секретной информации. Стремительно терявшему доверие Сталина наркому Ежову, заместителем и вероятным преемником которого в конце августа 1938 г. стал переведенный в Москву из Тбилиси Л. П. Берия, были нужны «козлы отпущения» после бегства Орлова и состоявшейся 3 сентября 1938 г. под Парижем учредительной конференции созданного Л. Д. Троцким антисталинского и антикоминтерновского IV Интернационала.

В августе – сентябре 1938 г. из Испании были отозваны и арестованы ранее работавшие с Орловым опытные разведчики Я. Серебрянский, Г. Сыроежкин, Н. Фридгут, из Великобритании – легальный резидент (с апреля 1938 года) Г. Графпен. Косенко был вызван из Парижа в Москву в ноябре 1938 г. Одно из последних сообщений в Центр, подписанных им перед возвращением, было посвящено шедшим осенью 1938 г. переговорам французов и британцев с Гитлером, который требовал у крупнейших европейских держав фактически подчинить Рейху Чехословакию. Косенко передал в Москву, что государственное руководство Франции во главе с премьер-министром Э. Даладье пойдет на дальнейшие уступки Гитлеру и выдаст ему Чехословакию.

В Москве Георгий Николаевич узнал о произошедших 2 ноября 1938 г. арестах С. М. Шпигельглаза и М. В. Григорьева, которые за год до этого вместе с Косенко лично участвовали в захвате генерала Миллера. Сам Косенко тогда же был назначен с понижением на должность оперуполномоченного 5-го отдела (ИНО) ГУГБ НКВД. А 27 декабря 1938 г. его самого арестовали по месту жительства – в квартире в «чекистском доме» № 3/5 в Большом Комсомольском (Большой Златоустьинский) переулке. На Лубянке Косенко предъявили обвинение в «участии в контрреволюционной террористической организации в органах НКВД СССР». 20 февраля 1929 г. Военная Коллегия Верховного Суда СССР во главе с печально известным В. В. Ульрихом приговорила Косенко к расстрелу. В ночь на 21 февраля приговор был приведен в исполнение. Вместе с Косенко тогда расстреляли 30 человек, в том числе его коллег по разведке бывшего нелегального резидента в Италии М. Аксельрода и работавшего в Испании А. Лимана. В одной группе с ними был расстрелян известный московский адвокат А. Долматовский – отец уже известного тогда поэта Е. Долматовского. Тела всех казненных той же ночью была тайно кремированы в Донском крематории, а пепел предан земле в общей «Могиле невостребованных прахов № 1».