Завязалась короткая борьба, и Марта — обладательница зеленого пояса по тхэквондо — нанесла одному из сотрудников КГБ болезненный удар в пах, прежде чем ее нейтрализовали. Сотрудники КГБ забрали контейнер из тайника, затем обыскали Петерсон и обнаружили прикрепленный «липучкой» к бюстгальтеру специальный радиосканер для прослушивания частот КГБ. «Ожерелье» на шее Петерсон работало как передающая индукционная антенна для крохотного приемника-наушника, вставленного в ее ухо. Предполагая, что сканер является устройством связи, офицеры КГБ пытались говорить в него в попытке получить ответ. Во время обыска маленький приемник в ухе Петерсон так и остался необнаруженным.
Затем Петерсон отвезли на Лубянку, в штаб Второго главного управления КГБ, где начался допрос. Вскоре были сделаны телефонные звонки в американское посольство с неприятной новостью об аресте американской гражданки. Представитель Государственного департамента США, прибыв на Лубянку и увидев задержанную Петерсон, был удивлен не менее, чем офицеры КГБ на мосту в момент ее задержания.
В два часа ночи Марта была освобождена. На следующий день советское правительство объявило ее персоной нон грата, и Петерсон была выслана из страны. Она покинула Москву первым же самолетом, чтобы больше никогда не возвратиться в свою московскую квартиру. ЦРУ позже узнало о том, что по крайней мере за месяц до ареста Петерсон Огородник был уже мертв.
Точные обстоятельства смерти агента для ЦРУ остаются невыясненными, но подтверждение его гибели есть в книге «Агентурная кличка — “TRIGON”», вышедшей в 2000 году. Автор, отставной офицер КГБ Игорь Перетрухин, вел это расследование и утверждал, что Огородник, сидя за столом в своей квартире и окруженный офицерами, в два часа ночи попросил бумагу и ручку, чтобы написать заявление председателю КГБ. Он попросил свою авторучку, которая лежала на столе и которую офицер КГБ уже осмотрел. Ручку проверили еще раз, прежде чем дать агенту.
Во время работы над заявлением Огородник несколько раз прерывался и играл с авторучкой. Когда около стола никого не было, Огородник сумел быстро вытащить из авторучки Л-таблетку и положить ее в рот. Внезапно он задрожал, откинулся на спинку стула и стал хрипеть. Офицеры КГБ бросились к нему и попробовали металлической линейкой открыть его твердо сжатые челюсти, чтобы извлечь ампулу с ядом. Изо рта начала выходить пенящаяся кровь, и он уже не приходил в сознание.
Спустя пять лет после задержания Марты Петерсон ЦРУ раскрыло реальную историю Огородника — его выдала семья шпионов Кочеров, Карл и его супруга Хана. В 1973 году, когда Огородник стал шпионом, ЦРУ наняло человека по имени Карл Кочер для работы в качестве переводчика в отдел Советского Союза и стран Восточной Европы. Карл получил ученую степень в Колумбийском университете, свободно владел русским, французским и английским языками. Он был натурализованным американским гражданином, который в 1965 году иммигрировал вместе с женой Ханой в Нью-Йорк, чтобы избежать религиозного преследования в своей стране. Мать Кочера была еврейкой.