В ходе следствия Пеньковский рассказал о системе опознавательных знаков, позволяющих сообщить иностранным агентам о закладке тайника. Следователи провели эксперимент, призванный подтвердить правдивость показаний. Во время эксперимента следователи заложили в тайник спичечную коробку, в которую поместили изъятое при аресте шпионское донесение. После этого следователи поставили черную черту на определенном столбе по Кутузовскому проспекту и позвонили по двум телефонам. В первом случае абонент назвал фамилию «Дэвисон», во втором «Монтгомери». И система сработала! Через полчаса возле столба появился помощник военно-воздушного атташе США Дэвисон и осмотрел метку. А спустя 6 часов неизвестный мужчина забрал из тайника находившуюся там спичечную коробку. Когда его задержали, им оказался сотрудник посольства США Джэкоб. Показания Пеньковского полностью подтвердились.
Арестованный сообщил и о других условных знаках, используемых при контактах с представителями западных спецслужб. Так, для вызова иностранных разведчиков к тайнику Пеньковский должен был в понедельник в условленное время дважды в течение минуты позвонить по определенному номеру телефона и после третьего гудка повесить трубку. В случае невозможности заложить тайник следовало поставить на столбе черный крест, позвонить по номерам телефона и трижды сильно подуть в трубку. В случае выезда за границу Пеньковский должен был опустить в почтовый ящик открытку с видом на ВДНХ, адресованную в Лондон на имя мисс Р. Хаук, с текстом:
Мотивы, побудившие его работать на иностранные разведки, Пеньковский объяснял так:
После совершения всех следственных проверок Пеньковского обвинили в совершении преступления, предусмотренного п. «а» ст. 64 УК РСФСР «Измена Родине», состав преступления предусматривал смертную казнь. Гревилл Винн обвинялся по ст. 65 УК РСФСР «Шпионаж» — разница определялась гражданством преступника. Советские граждане, работавшие на иностранные разведки, подвергались наказанию за измену Родине, иностранные граждане и лица без гражданства — за шпионаж.
В период с 7 по 11 мая 1963 года дело Пеньковского и Винна рассматривалось Военной коллегией Верховного Суда СССР. Как отмечают исследователи, открытые судебные заседания напоминали театральную постановку с отточенными диалогами, безупречной дикцией подсудимого и подробной видеосъемкой процесса. В судебном заседании Пеньковский подтвердил свои показания и полностью признал вину. В ходе судебного допроса государственный обвинитель поинтересовался у подсудимого финансовой заинтересованностью того в агентурной работе, на что получил обескураживающий ответ, который только подчеркнул одержимость Пеньковского шпионской деятельностью:
«Мне предлагались деньги в рублях. Я говорил, что мне сейчас деньги не нужны, у меня есть достаточно своих накоплений в семье и я никакой нужды в деньгах, а также в валюте в настоящее время не испытываю. Деньги мне предлагались несколько раз, но я не брал ни копейки. И для меня явилось неожиданностью, когда мне прислали 3 тысячи рублей в коробке от набора спичек. Из них я купил на сумму 500–600 рублей различные подарки — серебряные чернильницы и т. д. — каждому из разведчиков, часть из этой суммы я потратил на пребывание Гревилла Винна, а 2 тысячи рублей завернул и возвратил Гревиллу Винну для передачи разведчикам.»