На встрече в Лондоне Пеньковского познакомили с Анной Чизхолм, которая стала его связной в периоды между посещениями Москвы Гревиллом Винном. В самолёте по пути в Лондон Пеньковский познакомился с женой и дочерью начальника ГРУ Серова и сопровождал их во время экскурсии по Лондону. По возвращении в Москву из Парижа он посещал дом Серовых и передавал им подарки.

20 сентября 1961 года Пеньковский прибыл в Париж в составе советской делегации и в аэропорту «Ле Бурже» передал Винну в пакете 15 экспонированных фотопленок. На основании этих материалов 14 октября 1962 года американский самолет-разведчик «U-2» совершил облет Кубы и сделал первые снимки строящихся там стартовых позиций советских баллистических ракет. Аналитики ЦРУ смогли определить характер сооружений благодаря секретным документам, в которых содержались подробные сведения об этапах строительства стартовых позиций. Эти документы Пеньковский тайно переснял в Главном ракетно-артиллерийском управлении (ГРАУ), куда ему удалось проникнуть благодаря дружбе с Варенцовым.

Мир оказался на грани ядерной войны. 22 октября 1962 года президент Кеннеди объявил о приведении американских вооружённые силы в полную боевую готовность и начале блокады Кубы. В тот же день Пеньковский был арестован по дороге на работу и сразу доставлен в здание КГБ на Лубянке. После первых же допросов он признал факты сотрудничества с иностранными разведками, выразил раскаяние в содеянном и предложил свои услуги в качестве двойного агента. Спустя десять дней в Будапеште был задержан и доставлен в Москву Гревилл Винн.

11 мая 1963 года Военной коллегией Верховного суда СССР Пеньковский был признан виновным в шпионаже, лишен воинского звания, всех государственных наград и приговорен к расстрелу. 16 мая 1963 года приговор был приведен в исполнение.

Гревилл Винн получил восемь лет, но 22 апреля 1964 года его обменяли на советского разведчика Конона Трофимовича Молодого, арестованного в Англии в январе 1961 года.

Генерал армии Серов и Главный маршал артиллерии Варенцов были сняты со своих постов, разжалованы и лишены звания Героя Советского Союза. Но кто именно предоставлял Пеньковскому сведения, составляющие военную и государственную тайну, да ещё в таком объеме и с такой детальностью, так и осталось невыясненным ни в ходе следствия, ни на суде.

Казалось бы, трон под Хрущёвым зашатался – ведь Серов оставался после опалы Жукова главной его опорой. Хрущёву и в самом деле оставалось недолго – чуть больше года. Но прежде еще должны были прозвучать выстрелы в Далласе, поставившие точку в жизненном пути 35-го президента США Джона Кеннеди, заставившего советского лидера отступить в недавнем противостоянии на Кубе. А Никита не привык прощать обиды… Успел он расквитаться и с Грибановым – за Серова. Разве не Грибанов был выдвиженцем Гоглидзе из ближайшего окружения Берии, когда работал в Хабаровске? Разве Гоглидзе не расстреляли по «делу Берии»? А тут еще этот Освальд, стрелявший в Кеннеди, – и снова засвечены подчиненные Грибанова. Нет, пора разогнать это «осиное гнездо» – и лучший контрразведчик страны оказался изгнан из органов и вычеркнут из истории. Вот как это было.

В первые дни февраля 1964 года в резидентуре советской внешней разведки в Женеве царила атмосфера тревоги и растерянности, а резидент не отходил от аппаратов шифросвязи с Центром. И на то были причины. Офицер безопасности сообщил, что вечером 4 февраля бесследно исчез эксперт советской делегации на конференции Комитета 18 государств по разоружению Организации Объединённых Наций 37-летний Юрий Иванович Носенко. Ситуацию усугубляло то обстоятельство, что советский дипломат одновременно был сотрудником Второго Главного управления (контрразведка) КГБ при СМ СССР и должен был обеспечивать безопасность намеченного на ближайшее время нелегального визита в Женеву начальника Второго Главка генерал-лейтенанта Олега Михайловича Грибанова. Рассматривались все возможные версии исчезновения Носенко – похищение, убийство, провокация или загул. Версий было много, и каждая отрабатывалась отдельно.

Но сообщения зарубежной прессы 10 февраля повергли сотрудников резидентуры в шок: из этих сообщений следовало, что Носенко обратился к американским властям с просьбой о предоставлении ему политического убежища в США…

12 февраля на специально созванной пресс-конференции для иностранных журналистов глава советской делегации С.К. Царапкин сделал решительное заявление о похищении советского гражданина, бездействии швейцарских властей по его розыску, а также потребовал немедленно предоставить информацию о судьбе и состоянии здоровья Носенко и обеспечить советским представителям встречу с ним.

Но к этому времени Юрия Носенко давно уже не было в Швейцарии. В тот же день рейсом Pan American № 73 из Франкфурта он был доставлен в Нью-Йорк, а уже вечером того же дня был в Вашингтоне.

Государственный департамент США удовлетворил прошение советской стороны и 14 февраля организовал в Вашингтоне встречу с представителями советского посольства Г.М. Корниенко и А.П. Косиковым, лично знавшим Носенко. На этой встрече Носенко подтвердил свой отказ вернуться в Советский Союз и таким образом сознательно пошел на измену Родине. В тот же день Госдеп уведомил советское посольство, что просьба Носенко о политическом убежище в США удовлетворена.

Это был скандал! Ведь перебежчиком стал сын Ивана Исидоровича Носенко, знаменитого сталинского наркома судостроительной промышленности, члена высших партийных органов власти, урна с прахом которого покоится в Кремлевской стене.

Юрий Иванович Носенко родился 30 октября 1927 года на Украине в городе Николаев. В 1950 году он окончил МГИМО, специализировался по США. Затем служил в разведке ВМФ СССР. Считается, что по протекции отца в 1953 году он был переведен в органы госбезопасности и начал работать по обеспечению контрразведывательного сопровождения дипломатической миссии США в Москве. В июле 1962 года в звании капитана он становится заместителем начальника 7-го отдела (работа по иностранцам, в основном американским и английским туристам) Второго Главка (контрразведка) КГБ при СМ СССР. Именно Носенко лично курировал Освальда, стрелявшего 22 ноября 1963 года в президента США Кеннеди. В июле 1964 года Носенко был заочно приговорен Военной коллегией Верховного суда СССР к смертной казни.

Тем временем по другую сторону океана работа кипела. Как свидетельствуют многочасовые стенограммы и аудиозаписи допросов Носенко, его показания комитетам и специальным комиссиям Конгресса США, им было раскрыто до 165 сотрудников советской внешней разведки, около 120 агентов и более 435 сотрудников советской контрразведки. Но можно ли верить американской стороне в том, что всю эту информацию она получила от Носенко? По мнению ряда ветеранов советской разведки и контрразведки, «досье Носенко» (многотомные материалы допросов, опросов, проверок, аналитических отчетов, сравнительных таблиц и т. д.) и особенно документы, рассекреченные после 1998 года и публикуемые с 2014 года, носят явные следы фальсификации с учетом информации, полученной намного позже из других источников, в том числе от перебежчиков и из воспоминаний ветеранов КГБ.

Да и в самом ЦРУ мнения на этот счет разделились. Одни считали его «двойным контролируемым КГБ агентом», другие были сторонниками его «непорочности». В меморандуме от 26 марта 1964 года (Record Number 124—10365—1000) на имя директора ФБР Эдгара Гувера начальник контрразведки ЦРУ Джеймс Энглтон пишет: «…Носенко не является подлинным перебежчиком, мы также постулируем различные цели, которые КГБ может надеяться достичь, отправив его с этим заданием».