После состоявшегося 27 февраля 1934 года выступления Леа Ньяко на квартире Сосновского, расположенной на набережной Лютцовуфер, по этому поводу была устроена светская вечеринка. В самый разгар веселья в квартиру ворвалась группа гестаповцев во главе с начальником III управления (отвечавшим за контрразведку) обер-регирунгсратом Пачовским и руководителем восточного отделения III отдела, занимавшимся делами о государственной измене и контрразведкой, комиссаром Кубитцким.

В тот же день были арестованы Бенита, Рената и Ирена. Нарушив планы абвера, гестаповцы арестовали и Леа Ньяко, которую обвинили в выдаче ротмистру планов контрразведки. Следствие по делу агентов Сосновского продолжалось около года, обвиняемых содержали в тюрьме Моабит. Особенно активно сотрудничала со следствием Рената фон Натцмер, пытавшаяся свалить всю вину на Бениту.

За заслуги в разоблачении Сосновского капитан-лейтенанту Протце присвоили чин капитана третьего ранга. В Польше Сосновского заочно произвели в майоры.

Первой жертвой этого дела стал портной Сосновского, польский еврей Роман. Ротмистр во время допроса заметил, что Пачовский носит его любимый галстук, а другие офицеры гестапо одеты в его костюмы. Сосновский был возмущён этим и пожаловался своему адвокату. Портного вызвали в гестапо, провели очную ставку с этими офицерами и заставили в помещении гестапо давать показания на гестаповцев. Несчастный портной был так напуган, что повесился в своей мастерской.

Сосновскому присвоили чин подполковника. Об этом он узнал от адвоката Людвига, который был назначен судом. Он защищал также и интересы лидера коммунистов Эрнеста Тельмана, сидевшего в той же тюрьме.

Сосновскому удалось передать своим агентам записки, в которых он призывал их не терять мужества и намекал на возможность обмена. Бените он пообещал жениться на ней. Став польской гражданкой, она сможет избежать смерти, так как в то время в Германии иностранцам не выносили смертных приговоров. Ротмистр также писал: «Я не успокоюсь, пока Натц и Ирена также не выйдут на свободу. У тебя даже больше прав на обмен, чем у меня, так мне передали мои люди».

Столь необычное предложение вступить в брак не было пустыми словами. Второй брак Бениты 19 октября 1934 года был признан судом недействительным. Сосновский через своего адвоката пытался получить разрешение после своего развода жениться на Бените. Польский посол Липский сообщал в Варшаву: «По просьбе Сосновского я посетил имперского министра иностранных дел фон Нейрата и от имени Сосновского попросил разрешить ему вступить в брак с Бенитой фон Фалькенхайн. Фон Нейрат в качестве жеста доброй воли — по его собственным словам — отправился к Гитлеру и час спустя передал мне его слова: „Она совершила настолько серьёзное преступление, что он не имеет права проявить к ней никакого снисхождения“».

Слушание дела началось 5 февраля 1935 года, процесс был закрытым. В зал суда были допущены исключительно представители гестапо и министерства пропаганды. Сосновский признал только те факты, которые были подкреплены неопровержимыми доказательствами. Бенита ограничилась подтверждением признаний Ренаты фон Натцмер. Ирена отчаянно, но безуспешно пыталась смягчить свои первоначальные показания. Леа, выступавшая в качестве главной свидетельницы, не соглашалась с обвинениями прокурора и пыталась представить свои действия в выгодном свете.

Приговор был вынесен 16 февраля 1935 года. Бениту фон Берг и Ренату фон Натцмер приговорили к смертной казни, Сосновского и Ирену фон Иена — к пожизненному тюремному заключению. Леа Ньяко была освобождена в зале суда. Ей даже разрешили оставить полученные от Сосновского 4700 марок, с оговоркой, что это решение может быть опротестовано абвером.

Контрразведчики не только не стали мелочиться из-за шпионских денег, но и выделили танцовщице ещё 75 марок, а также пообещали устроить ей ангажемент. Однако гестаповцы сразу после вынесения приговора арестовали Леа, которая помогла раскрыть самую разветвлённую шпионскую сеть Германии. Её освободили только после личного вмешательства Гитлера. Дело Сосновского побудило фюрера изменить прежний, принятый в 1929 году, Закон о государственной измене и ужесточить наказание за предательство государственных интересов.

Бенита и Рената были казнены 18 февраля 1935 года в тюрьме Плётцензее. Сосновский ошибся, написав Бените, что у неё больше шансов на освобождение, чем у него, — через год после смерти подруги ротмистра глава абвера контр-адмирал Канарис и польский посол Липский договорились о его обмене. Он состоялся 23 апреля 1936 года в одном из пограничных городков: Сосновский был обменён на семерых германских агентов.

Вернувшись на родину, Сосновский надеялся, что его будут чествовать как героя, но встретивший ротмистра на границе польский капитан предъявил ему ордер на арест. Расследование длилось несколько лет, а 7 июня 1939 года военный трибунал приговорил Сосновского к тюремному заключению на пятнадцать лет.

Военный прокурор Сарницкий обвинял Сосновского в сотрудничестве с германской разведкой. Он даже требовал приговорить ротмистра к смертной казни. В ходе расследования двенадцать высших офицеров отдела разведки польского Генштаба были уволены или понижены в должности. Сосновский подал кассационную жалобу, но вскоре началась Вторая мировая война.

Дальнейшую судьбу ротмистра можно восстановить только на основании свидетельств очевидцев. Перед тем как Варшава была полностью окружена немцами, Сосновского под конвоем вывезли в восточную часть Польши. Около Брест-Литовска конвоиры без предупреждения начали в него стрелять и, посчитав, что он убит, бросили его на опушке леса. Но, несмотря на тяжёлые ранения, Сосновский остался в живых, его подобрали беженцы и отвезли во Львов. С востока без объявления войны наступали советские войска, и Сосновский попал к ним в плен.