Наконец московской резидентурой после получения от Толкачёва копий секретных документов, подробных сведений относительно его и его семьи (со всеми личными данными, номером телефона и другой информации) было получено разрешение на контакт с этим инициативником. Заместитель резидента ЦРУ в Москве Джон Гуилшер, первый секретарь политического отдела американского диппредставительства, незаметно для КГБ ушел из-под наблюдения в антракте спектакля из Большого театра и установил телефонную связь с Толкачёвым. Спустя пять месяцев после телефонного контакта этим же американским разведчиком для Толкачёва вблизи его дома за телефонной будкой был заложен первый тайниковый контейнер в виде грязной рабочей рукавицы, содержащей условия агентурной связи. Затем в январе 1979 года состоялась и первая личная встреча Джона Гуилшера с Толкачёвым, которому в ЦРУ присвоили псевдоним «Сфера».
Дальнейшая связь с Толкачёвым, с самым ценным, по словам американцев, агентом ЦРУ после Пеньковского, была организована американцами исключительно путем личных встреч с соблюдением строжайших мер конспирации. В течение ряда лет с ним проводили в Москве кратковременные встречи кадровые сотрудники резидентуры ЦРУ Джон Гуилшер (первый секретарь политического отдела), Уильям Планкерт (второй секретарь политического отдела), Дэвид Рольф (гражданский помощник атташе по вопросам обороны), Роберт Моррис (строительная секция посольства США) и Джон Якли (бухгалтер). Американцам длительное время удавалось, используя переодевания, маски и другие ухищрения, мастерски отрываться от слежки и тайно встречаться с Толкачёвым вне поля зрения контрразведки.
В системе связи с Толкачёвым ЦРУ использовало личные встречи, ближнюю и дальнюю агентурную радиосвязь, ему была передана специальная радио- и мощная миниатюрная фотоаппаратура. Для вызова Толкачёва на встречу (по переданному ему и рассчитанному на многие месяцы графику) разведчики московской резидентуры ЦРУ использовали телефонный канал. Во время телефонных «ошибочных» звонков упоминались имена Нина, Петр или Анна, обозначавшие место очередного контакта. Для экстренной встречи американцы в посольстве на ночь оставляли свет, освещавший одно из окон, и Толкачёв, в свою очередь, оставлял свет в своей квартире или же открывал настежь форточку.
За предоставление правительству США ценной информации об электронном оборудовании военных самолетов и других электронных технологий американцы передали Толкачёву сотни тысяч рублей. На случай угрозы провала Толкачёва снабдили ампулой с сильным быстродействующим ядом. Для него и его семьи ЦРУ разработало план нелегального выезда из СССР.