В течение допроса офицер-куратор был обвинен в шпионаже, ему показали пакет, который он собирался передать Толкачеву. Внутри были пять камуфлированных фотокамер, книги и фломастеры для сына Толкачева, лекарства, книга-прикрытие, содержащая 250 страниц газетных и журнальных статей, о которых просил Толкачев, и конверт с тысячами рублей. В сопроводительной записке Толкачева благодарили «за очень важную письменную информацию», которую он передал на последней встрече, и было описание новой фотопленки для съемки при низкой освещенности. Об аресте офицера-куратора сообщила пресса, но без упоминаний о Толкачеве. Судьба его была неизвестна, и только 22 октября 1986 г. советская печать сообщила, что Толкачев казнен.
Разоблачение Толкачева было вызвано не расшифровкой методов агентурной работы, а изменой двух офицеров ЦРУ, Эдварда Ли Ховарда, а затем Олдриджа Эймса. Ховард, недовольный своей карьерой в ЦРУ, был уволен в апреле 1983 г., но в начале 1983 г. уже знал о Толкачеве. Вероятнее всего, Ховард предал бесценного агента, сообщив о нем КГБ в сентябре 1984 г. на встрече в Австрии. Эймс подтвердил информацию Ховарда, когда передал КГБ в мае и июне 1985 г. имена других активных агентов ЦРУ, включая Полякова.
В феврале 1990 г. газета «Советская Россия» рассказала о Толкачеве в статье, которая была явно подготовлена сотрудниками КГБ. Она содержала множество комментариев, в том числе сдержанную похвалу профессионализму ЦРУ:
Для оценки возможностей ЦРУ тех лет ниже представлен список оперативной техники OTS, которая активно использовалась в шпионских операциях:
• набор для тайнописи;
• камуфляжи;
• одноразовые шифрблокноты;
• различные модели миниатюрных фотокамер;
• фотоэкспонометры;
• оперативный макияж;
• радиоприемники для обнаружения слежки;
• бытовые фотокамеры;
• струбцины для крепления фотокамер;
• дубликаты пропусков в закрытый институт;
• дубликаты листа учета выданных документов из секретной библиотеки;
• контейнеры-тайники;
• системы ближней агентурной радиосвязи;
• бытовой коротковолновый радиоприемник с блоком демодулятора;
• таблетка с ядом;
• JBL-система быстрой установкой манекена в автомобиле;
• специальная фотопленка для фотографирования при слабой освещенности.
В течение пяти лет оперативные офицеры ЦРУ провели более 20 встреч с Толкачевым. Ранее никогда не удавалось проводить столько встреч с агентурой в Советском Союзе. В течение пяти лет активных операций с Толкачевым сочетание искусства шпионажа и специальной техники доказали, что наглухо «закрытых» регионов для агентурной работы теперь не существует.
В марте 1979 г. в отчете, представленном директору ЦРУ, особо подчеркивалось значение разведывательных сведений, которые начали поступать от Толкачева, поскольку они были по-настоящему бесценными.