Тогда Пеньковский решил связать свою судьбу с англичанами. Скоро удобный случай представился. В декабре 1960 года в Москву вместе с делегацией английских специалистов прибыл под личиной бизнесмена разведчик Грэвилл Вини. Из разговоров с ним полковник понял, что это тот тип, перед которым можно открыться и попытаться выйти на английских разведчиков. В апреле 1961 года, находясь на представительском ужине в ресторане гостиницы «Националь», Пеньковский рассказал Винну о себе, о работе в ГРУ и своем желании сотрудничать с разведкой Великобритании.

А уже 20 апреля того же года во время командировки в Лондон в гостинице «Маунтройял» он встретился с высокопоставленными чинами английской и американской разведок, где и был завербован, получив кличку «Янг». Вербовку закрепили письменным обязательством — подпиской. Тут же в номере ему была поставлена задача по сбору политической, военной и экономической информации. Заморские хозяева передали ему чувствительный транзисторный приёмник для прослушивания шифрованных радиопередач, блокнот с шифрами и кодами, средства для нанесения и проявления тайнописи, миниатюрный фотоаппарат «Минокс», фотопленки и другие предметы шпионской экипировки. Всё это он, вернувшись в Москву, спрятал дома в оборудованный тайник письменного стола. С этого рубежа «крот» начал активно работать в ГРУ против ГРУ и всей страны.

Для легализации контактов с советскими гражданами англичане приглашали в свое посольство специалистов. Часто на таких приемах бывали и сотрудники Госкомитета по науке и технике. Получал подобные приглашения и Пеньковский, но не для развития внешнеторговых контактов, а совсем для других целей — шпионских. Там тоже присутствовал Г. Винн.

Во время вояжей по роду службы в европейские столицы Пеньковского «натаскивали», как собаку для охоты. На конспиративных квартирах его обучали (занятия шли по несколько часов), как советскому военному разведчику стать первоклассным шпионом. В то же время «доили» — устно выпытывали всё то, что он хранил в памяти. А хранил он много, так как собирал товар для продажи. Выслуживаясь перед «хозяевами», Пеньковский заявлял: «Взорву в Москве всё, что угодно, — выполню любое задание».

Для снятия стресса ему предлагали секс с проститутками, работавшими на английскую разведку. От такого отдыха он, естественно, не отказывался. Шпион понимал, что это тоже своеобразная плата за его нервное перенапряжение в ходе предательской работы. О низости и скотстве своих поступков не думал, мечтал только о деньгах, больших деньгах.

О фактах обширных связей Пеньковского с женщинами легкого поведения и прожигания жизни в питейных заведениях потом признаются на судебном процессе свидетели — его собутыльники по пьяным оргиям Рудовский и Финкельштейн.

За время заграничных поездок «оборотень» передал противнику 106 экспонированных фотопленок, в которых было более пяти тысяч кадров. Это были материалы секретного характера, полученные разными путями на шпионской стезе.

А теперь к вопросу его «засветки». Из материалов судебного разбирательства установлено: впервые Пеньковский попал в поле зрения органов советской контрразведки в конце 1962 года. Согласно плану по связи шпион должен был передать часть собранных им секретных материалов при личной встрече с женой английского дипломата Анной Чизхолм на Цветном бульваре, где она часто гуляла с детьми. Коробка конфет, в которой находилось четыре фотопленки, была передана в качестве «угощения» детям англичанки на лавочке одной из детских площадок, куда якобы «случайно» забрел Пеньковский. Этот подозрительный факт и был зафиксирован сотрудниками наружного наблюдения. Затем уже все действия подозреваемого в шпионаже и его встречи с иностранцами контролировались чекистами, что позволило не только разоблачить матерого шпиона, но вскрыть его связи с разведчиками США и Англии, работавшими легально под «крышей» соответствующих посольств в Москве.

А их было много, прямо или косвенно обеспечивающих безопасность работы Пеньковского и Винна в столице. Это прежде всего сотрудники посольства Великобритании А. Рауссел, Г. Кауэлл, его жена П. Кауэлл, Р. Чизхолм и его жена А. Чизхолм, Д. Варлей, Ф. Стюарт и сотрудники посольства США А. Дэвисон, X. Монтгомери, Р. Карлсон, Р. Джэкоб, В. Джонс.

В 1962 году в ходе агентурно-оперативных мероприятий был получен визуально ещё один серьёзный уликовый факт. Оперативники зафиксировали момент фотографирования Пеньковским на подоконнике окна каких-то документов, что дало ещё одно основание подозревать хозяина квартиры в причастности к разведке противника. Надо отметить, что такую «процедуру с бумагами» он проделывал несколько дней подряд.

Участник тех событий И. Ермолаев пояснил,что наблюдение за шпионом велось из окна противоположного дома. Уже тогда техника позволила фиксировать не только манипуляции подозреваемого в шпионаже с листами машинописного текста, но и четко определить его работу с неизвестным фотоаппаратом. Как потом выяснилось, это была шпионская мини-фотокамера «Минокс». Сомнения после этого рассеялись — перед нами был явный шпион.

22 октября 1962 года, после получения санкции от Генерального прокурора, Пеньковский был арестован при выходе из здания Госкомитета по координации научно-исследовательских работ. В ходе обыска в его квартире чекисты обнаружили тайник с арсеналом шпионского снаряжения: шифры, коды, средства тайнописи, два фотоаппарата «Минокс», микрофотопленки, машинописные листы секретных документов. На столе стояли пишущая машинка, на которой он перепечатывал некоторые записи для того, чтобы легче читались тексты — шпионские донесения — хозяевами в разведцентрах США и Великобритании, и радиоприёмник, на котором прослушивались радиопередачи по линии центр — агент.

Тогда же была изъята и инструкция, по которой он обучался и действовал в личине шпиона. В частности, в ней давались такие рекомендации по радиосвязи: «Мы считаем, что этот способ имеет большие преимущества с точки зрения безопасности… Вам очень важно натренироваться, чтобы Вы могли узнать и записать цифры при передаче… для этого нужно просто регулярно практиковаться». Более детально говорилось о тайниках: «Они будут оставаться основным способом для посылки сообщений и материалов Вами. Для оперативности этого способа нам необходимы описания тайников, обещанные Вами. Вам придется в будущем находить и другие. При выборе тайников имейте в виду, что они должны находиться в местах, нормально доступных иностранцам. Мы считаем, что будет лучше, если мы будем заранее согласовывать день и час, в который Вы будете заряжать условленный тайник, чтобы мы могли его сразу же опустошить, не дожидаясь сигнала…» Дальше в шести пунктах шло подробное разжевывание технологии работы с тайниками.