Пеньковский жил на набережной Максима Горького (ныне Космодамианская) в доме № 36 вместе с женой Верой – дочерью начальника Политуправления Московского военного округа генерал-лейтенанта Дмитрия Афанасьевича Гапановича (1896–1952), двумя дочерьми (младшей при аресте было восемь месяцев) и своей матерью. Для доказательства шпионской деятельности Пеньковского контрразведчики Грибанова провели беспрецедентную операцию по прокладке кабеля по дну Москва-реки к чердаку дома напротив, на Гончарной набережной. Кабель управлял кинокамерой, установленной в цветочном горшке на балконе этажом выше квартиры Пеньковского. С помощью кинокамеры была произведена съемка агента в момент, когда он переснимал на подоконнике секретные документы.
Осенью 1962 года Пеньковский планировал поехать в командировку в США и, видимо, там остаться, поскольку камера зафиксировала, как он рассматривает фальшивый паспорт. Токсикологи КГБ обработали стул Пеньковского спецсредством, после чего он получил лёгкую инфекцию на чувствительных органах и оказался на некоторое время в госпитале. Тем временем сотрудники Грибанова проникли в его квартиру и провели в ней обыск, в результате которого был обнаружен тайник с секретными материалами, подготовленными к передаче на Запад, шифроблокнотами и средствами конспиративной связи.
Полковник Пеньковский был профессиональным военным, выпускником 2-го Киевского артиллерийского училища, участником советско-финляндской и Великой Отечественной войн, был дважды ранен, награжден орденом Александра Невского, который давали не только за выдающиеся командирские качества, но и за личную храбрость в бою. Среди других наград были два ордена Красного Знамени, орден Отечественной войны I степени, орден Красной Звезды. С 1944 по 1945 год Пеньковский был адъютантом командующего артиллерией 1-го Украинского фронта, впоследствии Главного маршала артиллерии Сергея Сергеевича Варенцова. После войны Пеньковский учился в Военной академии имени М.В. Фрунзе, в 30 лет получил звание полковника. В 1953 году он окончил Военно-дипломатическую академию и был распределён в 4-е (ближневосточное) Управление ГРУ. В 1955–1956 годах он был помощником военного атташе при посольстве СССР в Турции, исполнял обязанности резидента ГРУ в Турции, но был отозван и уволен из ГРУ. Однако в 1958 году его вновь принимают в ГРУ – согласно запискам Серова, это произошло без его ведома по протекции первого заместителя начальника ГРУ генерал-полковника Рогова, который был назначен на эту должность в апреле 1958 года, а Серов возглавил ГРУ 10 декабря 1958 года. Однако оба они были разжалованы и уволены в связи с делом Пеньковского: Серов 2 февраля 1963 года, а Рогов – 7 марта 1963 года.
С 1958 по 1959 год Пеньковский проходит обучение на Высших инженерно-артиллерийских курсах Военной академии Ракетных войск стратегического назначения (РВСН) имени Ф.Э. Дзержинского и по протекции Главного маршала артиллерии Варенцова становится начальником курса этой академии. В 1960–1962 годах он работает «под прикрытием» в должности заместителя начальника Управления внешних сношений Госкомитета по науке и технике (ГКНТ) СССР. На одном из приемов в Москве Пеньковский знакомится с Гревиллом Винном, сотрудником английской разведки МИ-6, что послужило началом его шпионской деятельности.
На суде Пеньковский признал, что акт вербовки состоялся 20 апреля 1961 года в ходе его первой командировки в Лондон. Через Гревилла Винна он встретился с двумя английскими и двумя американскими разведчиками, получил оперативные псевдонимы «Янг» и «Алекс», портативную фотокамеру «Минокс» и транзисторный приемник для приема радиопередач из разведцентра. Второй раз Пеньковский прибыл в Лондон 18 июля 1961 года и встретился с шефом русской секции МИ-6. Ему были обещаны гражданство и высокая должность в разведывательных структурах США или Великобритании.
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.
