В 1963 году обвинён в шпионаже (в пользу США и Великобритании) и в измене Родине, расстрелян по приговору Военной коллегии Верховного суда СССР. Многие специалисты называют Пеньковского самым результативным агентом Запада из когда-либо работавших против СССР.