В июле 1962 года, когда в Москву приехал английский бизнесмен Гревилл Уинн, которого СИС использовала в качестве курьера, Пеньковский опять нарушил правила конспирации, встретившись с Уинном в его номере в гостинице «Украина». Этого было достаточно, чтобы у Второго главного управления возникли вполне определенные подозрения. Еще более подозрительным было то, что, войдя в номер Уинна, Пеньковский включил радио и открыл краны в ванной, чтобы заглушить разговор. Техническим экспертам Грибанова все же удалось расшифровать обрывки разговора, и это явилось первым свидетельством того, что Пеньковский занимается шпионажем. После этого Второе главное управление отправило семью, жившую этажом выше квартиры Пеньковского, в отпуск на Черное море, просверлило небольшое отверстие в потолке и установило миниатюрную камеру размером с булавочную головку, с помощью которой удалось увидеть, как Пеньковский пользуется фотоаппаратом «Минске», кодами и одноразовыми шифрблокнотами. Чтобы провести доскональный обыск в квартире, Второе главное управление разработало план, который бы позволил выманить его на несколько дней из дома. Токсикологи КГБ обработали стул Пеньковского ядовитым составом, после чего Пеньковский ненадолго, но очень серьезно заболел. Врачи из ГРУ, должным образом проинструктированные, объявили ему, что на несколько дней придется лечь в госпиталь. За эти несколько дней сотрудникам ВГУ удалось обнаружить в квартире Пеньковского обычные шпионские принадлежности. Однако сразу его брать не стали в надежде, что, оставшись на свободе, он выведет чекистов на крупную шпионскую группу. В ходе Карибского кризиса основная масса информации поступала от электронной разведки, успехам которой немало способствовало внедрение КГБ в Агентство национальной безопасности и американское посольство в Москве. Говорят, после кризиса Хрущев даже «объявил благодарность ГРУ за предоставленные ему данные перехвата телефонных разговоров в Вашингтоне, которые помогли пролить свет на события и обсуждения, происходившие в официальных кругах, и, в конечном итоге, способствовали окончательному урегулированию кризиса.» Однако, принимая во внимание темпы развития кризиса и ту завесу секретности, которая окружала деятельность Искома, электронная разведка, скорее всего, давала лишь весьма ограниченное представление о тех важнейших решениях, которые принимались президентом и узким кругом его советников. Несмотря на настойчивые требования Центра, резиденту КГБ в Вашингтоне Феклисову, похоже, не удалось добыть большого количества достоверной развединформации. Главный источник информации Феклисова во время Карибского кризиса имел много общего с Пеньковским. Это был офицер военной разведки США по кличке «Саша», который во время службы в Германии в 1959 году был завербован Михаилом Александровичем Шаляпиным. Саша был платным агентом (в Германии он залез в долги, связавшись с немецкой любовницей, которая тянула из него деньги). По словам Юрия Носенко, за деньги КГБ он поначалу поставлял «целые чемоданы» документов военной разведки. Саша в 1962 году был переведен в Вашингтон, но, не имея доступа к материалам Искома, мог добывать лишь второстепенную информацию.

Саше удалось пережить Карибский кризис, Пеньковскому же повезло меньше. Как раз в тот момент, когда кризис достиг своей наивысшей точки, камера, спрятанная в потолке его квартиры, позволила увидеть, как он рассматривает поддельный паспорт. Опасаясь, что в действие приводится план побега, Грибанов приказал немедленно арестовать Пеньковского. Только 2 ноября СИС и ЦРУ стало известно о провале. В этот день на одном из фонарных столбов в Москве появился условный знак, который означал, что Пеньковский оставил в «почтовом ящике» материал для передачи. Сотрудник ЦРУ, явившийся к тайнику, был схвачен КГБ и заявил о своем дипломатическом иммунитете. Его задержание вызвало довольно комичное межведомственное недоразумение во Втором главном управлении. До тех пор, пока у «почтового ящика» не появился сотрудник ЦРУ, в КГБ ошибочно полагали, что Пеньковский работает только на СИС (в то время, как он был действующим лицом совместной с ЦРУ операции), поэтому им занимался Второй (Англия, Канада, Океания) отдел Второго главного управления, который отказывался посвящать в свои дела Первый (американский) отдел. Когда же озадаченный сотрудник ЦРУ признался, кто он такой, Второй отдел был вынужден, к величайшему своему неудовольствию, заканчивать дело Пеньковского совместно с конкурирующим Первым отделом.

Пеньковского жестоко пытали во время продолжительных допросов, потом на показательном процессе в мае 1963 года он был приговорен к смертной казни и расстрелян. После разоблачения Пеньковского в опале оказался его собутыльник — генерал Серов, бывший председатель КГБ. После того, как Пеньковский был арестован, Серова сняли с должности начальника ГРУ. Вскоре, после тяжелого запоя, он застрелился в одном из арбатских дворов. Единственным сообщением о его смерти была небольшая заметка, подписанная анонимной группой бывших товарищей.