В 1951 году Петровы были командированы в Австралию, в Канберру. Подполковник Петров с 1952 года исполнял обязанности резидента, а капитан Петрова получила должность секретаря посла и бухгалтера посольства. В задачу резидентуры входило проникновение в антисоветские и националистические организации, а так-же создание в стране сети нелегалов.
Но отношения внутри советской колонии у Петровых не сложились. Не последнюю роль в этом сыграла взаимная неприязнь Петровой и жены посла. В Москву посыпались многочисленные доносы, а после ареста Берия Петрова даже обвинили в создании в посольстве пробериевской фракции.
В это же время Петров близко сошелся с неким Майклом Бялогуски, польским музыкантом, который в годы Второй мировой войны сотрудничал с гестапо и бежал в Австралию, опасаясь справедливого возмездия. «Дальние соседи» (сотрудники резидентуры ГРУ в Канберре) неоднократно предупреждали Петрова по поводу Бялогуски, но тот отвечал, что изучает его на предмет вербовки.
Тогда в Москву полетела срочная телеграмма следующего содержания:
«Канберра — Москва, Громову.
>Совершенно секретно.
Получены данные (ВЕНТА), что местная спецслужба взяла в активную разработку Петрова. Агентом-вербовщиком выступает Майкл Бялогуски, музыкант польского происхождения. Оба пропадают в ночных барах и ресторанах. Петров допускает злобные реплики в адрес совпосла. Просим отозвать.
>17.11.53 Сомов».
Между тем события приближались к развязке. Двадцать седьмого февраля 1954 года Петров первый раз вступил в контакт с сотрудниками австралийской контрразведки. Ему было обещано политическое убежище и крупная сумма денег в 5 тысяч фунтов стерлингов на покупку фермы. Но окончательное решение он принял после того, как в Канберру неожиданно прибыл его сменщик, который потребовал от Петрова сдать ему все дела. Это стало последней каплей, и Петров 2 апреля 1954 года, даже не переговорив с женой, похитил секретные документы и исчез из посольства.
Почти сразу же начались поиски пропавшего дипломата, а Петрову переселили из квартиры в городе в посольство, лишив всякой связи с внешним миром. Тринадцатого апреля 1954 года австралийское радио официально объявило о том, что третий секретарь посольства Владимир Михайлович Петров попросил политического убежища. Евдокия посчитала это заявление буржуазной пропагандой, будучи уверена, что мужа похитили. Через некоторое время она получила от мужа письмо с просьбой о встрече, и написала под диктовку следующий ответ: «Я опасаюсь встречи с тобой, это может быть ловушка».
Девятнадцатого апреля Петрову под конвоем доставили в аэропорт и посадили в самолет. Руководивший этой операцией сотрудник МГБ Василий Федорович Санько действовал так неуклюже и топорно, что фотография Петровой, которую волокут к трапу самолета двое дюжих молодчиков, обошла газеты всего мира.