Арестовали его в конце 1986 года. Во время обыска, произведенного на его квартире, на даче и в доме его матери были обнаружены вещественные доказательства его шпионской деятельности. Среди них: листы тайнописной копирки, изготовленные типографским (!) способом, и шифроблокноты, закамуфлированные в стенках дорожного несессера, две приставки к миниатюрному фотоаппарату «Тессина» для вертикальной и горизонтальной съемки, несколько катушек фотопленки «Кодак», рассчитанной на специальное проявление, шариковая ручка, головка зажима которой предназначалась для нанесения тайнописного текста, а также негативы с условиями связи с сотрудниками ЦРУ в Москве и инструкции по контактам с ними за рубежом.
Следствие по делу Полякова вел следователь КГБ полковник A.C. Духанин. Жена и взрослые сыновья Полякова проходили в качестве свидетелей, так как они не знали и не догадывались о его шпионской деятельности. После окончания следствия многие генералы и офицеры ГРУ, чьей халатностью и болтливостью часто пользовался Поляков, были привлечены к административной ответственности и уволены в отставку или в запас. В начале 1988 года Военная коллегия Верховного суда СССР приговорила Полякова Д.Ф. за измену Родине и шпионаж к расстрелу с конфискацией имущества. Приговор был приведен в исполнение 15 марта 1988 года. А официально о расстреле Д.Ф. Полякова было сообщено в «Правде» только в 1990 году.
В 1994 году ЦРУ признало факт сотрудничества с ним, Полякова. Было заявлено, что переданная им информация и фотокопии секретных документов составляют 25 ящиков в досье ЦРУ. Многие специалисты, знакомые с делом Полякова, считают, что причиненный им вред нашему государству превосходит вред, причиненный более широко известным предателем из ГРУ полковником О. Пеньковским. По словам директора ЦРУ Джеймса Вулси, из всех советских агентов, завербованных во времена «холодной войны», Поляков «был настоящим бриллиантом».
Действительно, кроме научно-технической информации и информации о советско-китайских отношениях, Поляков поставлял сведения о новом вооружении Советской Армии, в частности о ПТУРСАХ.[39] Эти сведения помогли американцам противостоять этому оружию, когда оно было использовано Ираком во время войны в Персидском заливе в 1991 году. Передал он на Запад и более ста выпусков секретного журнала «Военная мысль», издававшегося Генеральным штабом. Как отмечает Роберт Гейтс, директор ЦРУ при президенте Буше, похищенные Поляковым документы позволили им ознакомиться с потенциальными возможностями Вооруженных Сил СССР и позволили сделать вывод о том, что советские военные руководители не считали возможной победу в ядерной войне и стремились избежать ее. По словам Гейтса, ознакомление с этими документами уберегло руководство США от ошибочных выводов, что, возможно, предотвратило «горячую» войну.