Получив из Штатов письмо от Кайзвальтера для «ГРЭЛСПАЙСА» и неправильно поняв инструкцию, Уинтерс, вместо того чтобы вручить письмо агенту в руки, отправил его по почте, так как на конверте был указан домашний адрес Попова.
Результаты не заставили себя ждать. Датчики, которыми были снабжены сыщики «наружки», работавшие за Уинтерсом, зафиксировали его приближение к почтовому ящику. Изъятую корреспонденцию проверили с помощью приборов, и участь Попова была предрешена: он оказался «под колпаком» у Второго главка. В ходе наблюдения было установлено, что Попов дважды — 4 и 21 января 1959 года—встречался с Ланжелли, и во время второй встречи получил от американца 15 тысяч рублей. Было принято решение арестовать Попова, и 18 февраля 1959 года его взяли с поличным у пригородных касс Ленинградского вокзала, куда он прибыл на очередную встречу с Ланжелли.
При обыске в доме изменника в тайниках, оборудованных в охотничьем ноже, катушке для спиннинга и помазке для бритья, были обнаружены средства тайнописи, шифровальные и дешифровальные блокноты, подробная инструкция пользования шифрами и адресами, по которым он мог известить ЦРУ из СССР о своём положении.
Попов сразу во всём признался и согласился сотрудничать с Комитетом в оперативной игре по дезинформации ЦРУ. Однако на первой же встрече он предупредил Ланжелли, что находится под контролем КГБ.
Сделал так: накануне умышленно порезал руку и спрятал под повязкой записку. В туалете ресторана «Арагви» снял повязку и передал американцу записку, в которой сообщал, что схвачен и находится в тюрьме КГБ.
Ланжелли не поверил агенту и предположил, что таким образом тот намерен в одностороннем порядке прекратить сотрудничество. Чтобы рассеять свои сомнения, он назначил «ГРЭЛСПАЙСУ» контрольную встречу.
Встреча состоялась 16 сентября в рейсовом автобусе № 12. Попов указал тазами на магнитофон, закреплённый у него за лацканом пиджака, но было уже поздно. Ланжелли был задержан, но благодаря дипломатическому иммунитету был отпущен. Вскоре он был объявлен persona non grata и выслан из Союза.
7 января 1960 года в Клубе чекистов им. Ф.Э. Дзержинского под председательством генерал-майора юстиции Виктора Борисоглебского состоялось заседание Военного трибунала, в ходе которого был оглашен приговор:
«Попова Петра Семёновича признать виновным в измене Родине и на основании ст. I Закона об уголовной ответственности предать смертной казни с конфискацией имущества».
Изменник был расстрелян, однако, по версии ещё одного предателя из ГРУ, бежавшего на Запад (в России известен как Виктор Суворов, автор книги «Аквариум»), Попов был заживо сожжён в спецкрематории КГБ. В качестве доказательства Суворов ссылается на короткую публикацию в «Правде», в которой вместо привычных в таких случаях слов «приговор приведён в исполнение», было напечатано: «уничтожен, как бешеный пёс».