В обвинительной речи главный военный прокурор А. Г. Горный прежде всего оценил общее количество переданных западным спецслужбам материалов: «Для характеристики масштабов преступной деятельности Пеньковского достаточно сказать, что он передал 106 экспонированных фотопленок по 50 кадров каждая, то есть более 5 тысяч фотоснимков с различными данными, представляющими интерес для империалистических разведок». Прокурор также отметил противоречивую натуру Пеньковского, подтолкнувшую его к измене: «Он здесь распинался в своей любви к Родине, рассыпался в чувствах благодарности за ее дары, которые его опьяняли. Но все эти слова на мрачном фоне его предательства — сплошное лицемерие и ханжество. Нельзя совместить несовместимое: любовь и вероломство!»
Приняв во внимание «степень участия подсудимого Гревилла Винна в совершенных тяжких преступлениях против Советского Союза», обвинение запросило для иностранного связного наказание в виде 10 лет лишения свободы. В отношении же судьбы Пеньковского прокурор задал риторический вопрос, на который тут же нашелся ответ: «… Где найти меру тяжести и подлости совершенных им деяний? Конечно, защита будет искать смягчающие его вину обстоятельства, будет ссылаться на его участие в войне, на его признание и раскаяние, но я не смогу с ней согласиться. Есть такие преступления, которые уже нельзя ничем искупить. Я не вижу в этом вопросе никакой альтернативы, никакого выбора. Предателю и шпиону, продавшему свое Отечество, нет места на земле, и я требую приговорить Пеньковского к смертной казни». После этих слов в зале суда раздались бурные, продолжительные аплодисменты.
Адвокат Пеньковского К. Н. Апраксин действительно акцентировал внимание суда на полном признании подсудимым его вины, чистосердечном раскаянии и деятельной помощи следствию. Боевые заслуги подсудимого, ранения, награды, лояльность политике партии и советского правительства, положительные служебные характеристики, многочисленные поощрения, иждивенчество двоих детей и матери — вот неполный список того, на что указывал адвокат, добиваясь смягчения наказания. Последние слова в судебной речи защитника указывали на главную цель его работы — не допустить назначения смертной казни: «Товарищи судьи! В жизни человека бывают ошибки и падения. Они бывают разные, но искреннее раскаяние в совершенном, желание искупить вину, безупречное прошлое и много хорошего, сделанного Пеньковским ранее, при всей глубине его падения дают основание просить о снисхождении. Я прошу вас сохранить Пеньковскому жизнь».
11 мая 1963 года был оглашен приговор. Пеньковский был признан виновным в измене Родине. Суд не принял во внимание ни одно из многочисленных смягчающих обстоятельств и назначил максимально возможное наказание — расстрел. Приговор кассационному обжалованию и опротестованию не подлежал. Ходатайство Пеньковского о помиловании было отклонено, и приговор был приведен в исполнение 16 мая в расстрельной комнате Бутырской тюрьмы. Винн получил восемь лет лишения свободы, однако спустя год его обменяли на разоблаченного советского разведчика.