Но все эти предосторожности не спасли Веннерстрема от провала. И во многом здесь виновато руководство ГРУ. Перед увольнением из армии Веннерстрема пригласили в Финляндию на конспиративную встречу с заместителем начальника ГРУ генерал-лейтенантом П.Мелкишевым. Повод для встречи был пустяковый: П.Мелкишев хотел поблагодарить Веннерстрема за проделанную работу. А ведь это с таким же успехом мог сделать на месте, в Стокгольме, и Никольский. Но главная ошибка заключалась в том, что для встречи с Веннерстремом Мелкишев воспользовался квартирой заместителя резидента КГБ в Хельсинки А.Голицына, который в декабре 1961 г. бежал в США. Так, шведская контрразведка получила первый сигнал о советском «кроте» в министерстве обороны.
Второй сигнал о «кроте» поступил в Швецию из Англии. Дело в том, что всю разведывательную информацию о новых западных вооружениях ГРУ передавало тем, кто в ней больше всего был заинтересован - советскому ВПК. Поэтому поступавшие от Веннерстрема документы попадали и в Комитет по науке и технике, где с 1960 г. работал небезызвестный О.Пеньковский. И, когда в 1961 г. он предложил свои услуги англичанам, они достаточно быстро установили, что данные о новейших образцах западного оружия поступают в СССР из Швеции.
Таким образом, кольцо вокруг Веннерстрема начало сжиматься. Дотошные бухгалтеры из контрразведки подсчитали, что за год расходы Веннерстрема превысили его доходы на 17 тысяч крон. (ГРУ выплачивало ему довольно скромную сумму - около 3000 крон в месяц, но его постоянные разъезды по Европе по заданию резидентуры требовали больших расходов). После этого контрразведка внедрила в его дом своего агента под видом горничной, а домоправительница на соседней вилле и садовник были заменены сотрудниками наружного наблюдения. Но полностью изобличить Веннерстрема в шпионаже контрразведка смогла только тогда, когда ее агенту удалось выкрасть из его дома фотопленку «Щит» с переснятыми им накануне секретными документами. Ждать дальше не имело смысла, и 20 июня 1960 г. Веннерстрем арестовали по обвинению в шпионаже в пользу СССР.
Улики, предъявленные Веннерстрему, были неопровержимы, и ему ничего не оставалось делать, как признать свою вину. Назвал он и своих последних операторов - В.Никольского и Г.Барановского. Правительство Швеции немедленно объявило их персонами «нон грата», и на следующий день они на сухогрузе «Репнино» покинули Стокгольм. Суд приговорил Веннерстрема за шпионаж к пожизненному заключению. В своем последнем слове Веннерстрем отрицал свою вину и заявил, что история рассудит, был ли он прав, борясь вместе с русскими за мир. В конце 1980-х гг. Веннерстрема, достигшего весьма преклонного возраста, освободили, и он написал о своей работе на ГРУ мемуары