ОТУ КГБ организовало 3 ключевых пункта фотонаблюдения, чтобы контролировать действия шпиона дома. Первая система размещалась этажом выше, точно над его квартирой, откуда велась прослушка. Через крошечное отверстие в потолке работающего за столом Пеньковского снимала специальная 35-миллиметровая фотокамера.
Вторая фотокамера была установлена на балконе, который был расположен над окном его квартиры. Камера была скрыта в основании балкона и через дистанционно открываемый люк снимала Пеньковского в моменты фотографирования секретных документов на подоконнике.
3-й пост фотонаблюдения был организован на другом берегу реки в жилом доме (наб. Максима Горького, 36/59) напротив дома Пеньковского. Оттуда специальные фотокамеры с мощными телеобъективами делали высококачественные снимки действий шпиона с фотоаппаратом «Минокс» и зафиксировали его за столом, когда он слушал и записывал радиошифровки.
Таким образом специальной телескопической кино-, фототехникой и приборами ночного видения шпион был зафиксирован во время фотографирования секретных документов, осуществления радиопередач, шифровки и дешифровки информации.
Также стало известно о его встречах с британским бизнесменом Гревиллом Винном в его номере в московской гостинице «Украина». Несмотря на то, что беседы проходили в ванной комнате при текущей воде из кранов и громко работающем радио, сотрудникам КГБ удалось записать часть разговоров.
Осенью 1962 года оперативники негласно проникли в квартиру Пеньковского и провели в ней обыск, обнаружили тайник с секретными материалами, готовыми к передаче на Запад, портативной съёмочно-копировальной техникой, шифроблокнотами и средствами конспиративной связи. Расследованием и задержанием Пеньковского руководил 1-й заместитель Председателя КГБ Пётр Ивашутин.
20 ноября 1967 года приказом КГБ № 00147 2-й отдел был выведен из состава ОТУ и преобразован в 12-й отдел КГБ, начальником которого был назначен Алексей Павлович Кривошеев и который до 1991 года отвечал за негласную прослушку помещений и телефонных линий. В региональных управлениях КГБ прослушкой занимались специалисты Оперативно-технического отдела (далее – ОТО).
В дальнейшем отделом руководили:
– Плеханов Юрий Сергеевич (октябрь 1970 – март 1983),
– Быстров Евгений Николаевич (март 1983 – ноябрь 1988),
– Калгин Евгений Иванович (ноябрь 1988 – август 1991).
В одной Москве насчитывалось 164 пункта прослушки, которые располагались: в районных отделах КГБ и центральном пункте прослушки в Варсонофьевском переулке, на городских телефонных станциях и в гостинницах для иностранцев. На каждом пункте для контролеров КГБ были оборудованы специальные, скрытые от посторонних глаз помещения.