9 июня в 23 часа 24 минуты был организован звонок на квартиру, где проживал сын «Радиста», от имени соседки по даче родителей. Ему было сообщено, что отец с матерью остались на даче на два дня и просили его не волноваться за них.
Утром в понедельник 10 июня от имени той же соседки по даче были выданы звонки на работу «Радиста» и его жены и сообщена легенда их отсутствия. При этом была высказана просьба оформить отгул на два дня, если не удастся оформить в деревне больничный лист.
11 июня жена «Радиста» из Следотдела КГБ СССР звонила на свою работу, на работу мужа, а также сыну и в соответствии с легендой сообщила информацию о себе и «Радисте» по заранее подготовленным текстам. Тем самым были продлены сроки действия легенды.
Сразу после задержания «Радиста» и его жены их квартира круглосуточно блокировалась оперативной группой как внутри, так и в подъезде дома. За сыном и братом «Радиста» было выставлено круглосуточное наблюдение. Телефоны по месту жительства сына, местам работы «Радиста» и его жены находились под контролем. Каких-либо подозрений со стороны сына и сослуживцев «Радиста» и его жены легенда не вызвала.
Используя сведения, полученные на допросах Толкачева, а также материалы, обнаруженные 8—9 июня в его квартире во время негласного осмотра, контрразведчики 6-го управления и ВГУ КГБ СССР провели с американской резидентурой в Москве тонкую оперативную комбинацию. Резидентуре ЦРУ был дан условный сигнал, свидетельствовавший о готовности Толкачева провести личную встречу.
В этих целях 13 июня 1985 г. в 11.55 к дому «Радиста» была подогнана его личная автомашина и поставлена на стоянку напротив окон его квартиры, где он обычно оставлял ее, приезжая домой в обеденный перерыв. В соответствии с инструкцией по связи, обнаруженной 9 июня в квартире объекта во время проведения негласного обыска, в 12 часов 09 минут была открыта и в 12 часов 28 минут закрыта форточка окна в комнате «Радиста». В 13.00 его машина была отогнана в Спецотдел КГБ.
В период с 12 часов 20 минут до 13 часов 00 минут были зафиксированы выезды из американского посольства в город заместителя резидента «Нерона», разведчиков «Барсука» и «Стеллы» с проездом по площади Восстания, Б. Грузинской ул. и ул. Красина. На указанном участке города американские разведчики имели возможность отфиксировать условный сигнал своего агента и готовности выхода на личную встречу.
Личная встреча с агентом была поручена разведчику «Самсону», работавшему под глубоким прикрытием и не вызывавшему, по мнению американской резидентуры, подозрений к себе.
«Самсон» отъехал от американского посольства 13 июня 1985 г. в 18 часов. За рулем машины находилась его жена. Больше часа ездили они по Москве, проверяя, нет ли за ними слежки. Затем почти два часа пешком, а также с использованием различных видов городского транспорта мотался он по Москве, часто заходил во дворы и подъезды жилых домов, заскакивал в электропоезда, это позволяло эффективно осуществлять выявление наружного наблюдения и отсекать наблюдение, ведущееся на автомашинах. Потом он долго изучал обстановку в районе проведения операции.
Вечером «Самсон» прибыл на место встречи с агентом к телефонным будкам около дома № 8 на ул. Пивченкова (район станции метро «Пионерская») и в 21 час 40 минут был молниеносно схвачен контрразведчиками, не успев избавиться от двух наполненных полиэтиленовых пакетов.
Задержанный был доставлен в приемную КГБ, где он заявил, что является 2-м секретарем посольства США в Москве Полем Стомбаухом.
В приемную были приглашены сотрудники МИД СССР С.К. Давыдов и для установления личности американца – работник консульского отдела посольства Марша Барнс, которая удостоверила личность Стомбауха. У него в полиэтиленовых сумках были обнаружены и изъяты материалы, предназначавшиеся для проведения шпионской деятельности против Советского государства. Среди них инструктивное письмо американской разведки своему агенту, 5 миниатюрных фотоаппаратов специальной конструкции для съемки документов, оперативный план проведения следующей конспиративной встречи, портативный диктофон для фиксации разведывательного опроса агента, а также деньги в сумме ста тысяч рублей.
По постановлению ЦК КПСС в целях разоблачения разведывательно-подрывной деятельности американских спецслужб на территории Советского Союза МИД СССР заявил посольству США в Москве решительный протест по поводу шпионских действий американского дипломата Стомбауха, который объявляется персоной нон грата. 15 июня 1985 г. об этом с согласия ЦК КПСС опубликовано краткое сообщение в советской печати, а также распространено по каналам ТАСС и Гостелерадио, в том числе и на заграницу.