В следующие месяцы контакты осуществлялись как за рубежом, так и в Москве через Уинна, а также через жену британского дипломата Анну Чизхолм. Под подозрение Пеньковский попал в конце декабря 1961 года, когда сотрудники КГБ, наблюдавшие за Чизхолм, оказавшейся не очень опытной в маскировке, зафиксировали их мгновенный контакт, когда они порознь зашли в случайный подъезд одного из домов в центре Москвы, в одном из арбатских переулков, а затем, через несколько секунд, с небольшим интервалом покинули его. «Не идентифицированного советского гражданина» сфотографировали, а затем установить его личность не представляло серьёзных трудностей. После этого за Пеньковским была установлена слежка и более его в заграничные командировки не посылали. Во время одной из встреч с Уинном, которые продолжали происходить во время его приездов в Москву, шпион сообщил, что чувствует за собой слежку.
Осенью 1962 года агентура КГБ организовала заражение Пеньковского некой инфекцией, в результате чего он попал на недолгое время в больницу, а в это время в его квартире был организован секретный обыск, позволивший обнаружить тайник с материалами, подготовленными к передаче, копировальной техникой, шифроблокнотами и другими подобными материалами. 22 октября по возвращении из больницы шпион был арестован и на допросах сразу же стал давать признательные показания.
В мае 1963 года дело Пеньковского и Уинна рассматривалось на полуоткрытых заседаниях Военной коллегии Верховного суда СССР, где также были даны подробные показания, причём обвиняемый вёл себя театрализованно, постоянно играл на публику, распинаясь в раскаянии и обещаниях загладить свою вину честным служением родине. Существуют обоснованные предположения, что Пеньковскому было обещано сохранение жизни, а затем обмен на советских разведчиков, находившихся в заключении в США. Об этом свидетельствовал, в частности, бывший сотрудник Главного разведывательного управления Евгений Иванов476. По приговору суда Пеньковский, однако, был расстрелян. Уинн был приговорён к 8 годам лишения свободы, а в апреле 1964 года его обменяли на советского разведчика Гордона Лонсдейла (подлинное имя Конон Трофимович Моло́дый), отбывавшего в британской тюрьме 20-летний срок.
Лишились своих должностей и званий главные покровители Пеньковского: генерал армии Иван Серов был отправлен в отставку с понижением в звании до генерал-майора, Главный маршал артиллерии Варенцов также был отправлен на покой, лишившись маршальского звания и став генерал-майором в отставке.