Осенью 1980 года для Толкачёва была изготовлена новая система радиосвязи SRAC, которую до него использовал Поляков. Это спецустройство второго поколения могло передавать полную машинописную страницу текста, снижая, таким образом, количество личных встреч и повышая безопасность работы с агентом. Система агентурной связи Толкачёва, названная DISCUS, состояла из двух одинаковых комплектов, один находился у куратора и другой у агента. Толкачёв получил DISCUS в 1981 году, однако из-за поломки прибора не смог им воспользоваться. Новый аппарат ему был передан лишь через несколько месяцев.

Весной 1982 года личные встречи с Толкачёвым были временно прекращены из-за возросшей активности наружного наблюдения, но после появления «Черта из табакерки» удалось восстановить прямой контакт с ним. (Сделал это сотрудник резидентуры Уильям Планкерт.) В марте и апреле 1983 года Толкачёв отснял и передал в ЦРУ более двух десятков кассет. Летом 1983 года отдел безопасности института ввел новые ограничения пользования секретными документами, и Толкачёв посчитал, что над ним нависла угроза разоблачения, связанная с утечкой информации. Толкачёв уничтожил часть имевшихся у него денежных средств, а устройство безличной радиосвязи SRAC, фотокамеру PENTAX и остатки сожженных документов были им выброшены из автомобиля на обочину дороги во время возвращения с дачи.

Осенью 1983 года были отменены пять личных встреч из-за высокой активности наружного наблюдения, но в ноябре встреча все же состоялась и агенту были переданы две новые камеры и новый график встреч. Спустя четыре месяца после первой встречи Толкачёв обратился с просьбой к куратору о таблетке с ядом. Он заявил: «Я бы не хотел беседовать с КГБ». В Лэнгли отказали, но он упорствовал и в конце концов написал личное письмо директору ЦРУ. При этом Толкачёв ссылался на задания ЦРУ, которые требовали от него копирования весьма важных документов, а это большой риск. Поэтому ЦРУ должно предоставить ему таблетку с ядом, тем более что только так он может гарантированно обеспечить свое молчание на допросах.

С первых шагов сотрудничества с Толкачёвым ЦРУ начало планировать варианты его побега с семьей из Москвы. План предусматривал переезд всей семьи в Ленинград, чтобы оттуда конспиративно вывезти их из СССР в специально оборудованном тайнике внутри автомобиля. Резервный план предусматривал укрытие семьи в Подмосковье, где они будут находиться до момента вывоза из страны другими средствами. План был предложен Толкачёву в апреле, но он не согласился с ним «из-за ситуации в семье». Толкачёв дал понять ЦРУ, что не думает о побеге, что он семью оставить не сможет.

В январе 1985 года Толкачёв вернул три микрокамеры с отснятыми пленками и передал 16 листов рукописей. Взамен ему передали пять новых фотокамер, новые разведывательные задания и 100 000 рублей. Переданные Толкачёвым в январе сведения о проекте нового советского фронтового истребителя, который в 1990-х годах должен был поступить на вооружение, были оценены как чрезвычайно важные, и в этой связи ЦРУ стало готовить внеплановую встречу в марте. Куратор дал сигнал об экстренной встрече, но ответа от Толкачёва не поступило. Резидентура решила отложить встречу до июня.

В первую неделю июня Толкачёв дал сигнал о готовности встретиться, открыв в определенное время нужную форточку в окне своей квартиры. Но офицер-куратор был вынужден прекратить операцию, поскольку обнаружил плотное наружное наблюдение. 13 июня сигнал «готов встретиться» был снова замечен в окне Толкачёва. На этот раз куратор (Пол Стомбаух) не обнаружил слежки, но на месте контакта он был задержан сотрудниками КГБ. Стомбаух был объявлен персоной ноной грата и покинул СССР, Толкачёв осенью 1986 года был казнен.

Разоблачение Толкачёва было вызвано не расшифровкой методов агентурной работы, а изменой двух офицеров ЦРУ, Эдварда Ли Ховарда, а затем Олдрича Эймса. Ховард, не довольный своей карьерой в ЦРУ, был уволен в апреле 1983 года, но в начале 1983 года он уже знал о Толкачёве. Вероятнее всего, Ховард предал бесценного агента, сообщив о нем КГБ в сентябре 1984 года на встрече в Австрии. Эймс подтвердил информацию Ховарда, когда передал в мае и июне 1985 года имена других активных агентов ЦРУ, включая Полякова.

В течение пяти лет оперативные офицеры ЦРУ провели более 20 встреч с Толкачёвым. Ранее никогда не удавалось проводить столько встреч с агентурой в Советском Союзе. В марте 1979 года в отчете, представленном директору ЦРУ, особо подчеркивалось значение разведывательных сведений, которые начали поступать от Толкачёва, поскольку они были по-настоящему бесценными. Сообщение Толкачёва о советском самолете было исключительно качественным и детальным. Особенно важным для ЦРУ был сделанный Толкачёвым прогноз о перспективах советских вооружений в будущее десятилетие. Одна эта информация сэкономила миллиарды долларов американской государственной программе военных исследований и разработок.