Летом 1962 году Поляков вернулся в Москву, снабженный инструкциями, условиями связи, графиком проведения тайниковых операций (одна в квартал). В 1966 году он был направлен в Бирму начальником центра радиоперехвата в Рангуне. По возвращении в Москву его назначили начальником китайского отдела, а в 1970 году он был командирован в Индию военным атташе и резидентом ГРУ. В это время объем передаваемой Поляковым в ЦРУ информации резко увеличился. Он выдал имена четырех американских военных офицеров, завербованных ГРУ, передал фотопленки документов, свидетельствующих о глубоком расхождении позиций Китая и СССР. Благодаря этим документам аналитики ЦРУ сделали вывод, что советско-китайские разногласия имеют долговременный характер. Эти выводы были использованы госсекретарем США Генри Киссинджером и помогли ему и Никсону наладить отношения с Китаем в 1972 году.
Следует сказать, что Поляков очень серьезно относился к тому, чтобы в руководстве ГРУ его оценивали как вдумчивого и перспективного работника. Для этого ЦРУ регулярно снабжало его некоторыми секретными материалами, а также предоставило двух американцев, о которых он писал в своих отчетах как о завербованных им агентах. С той же целью Поляков стремился к тому, чтобы его два сына получили высшее образование и имели престижную профессию. Своим сотрудникам в ГРУ он дарил множество безделушек, как, например, зажигалки и шариковые ручки, составляя о себе впечатление как о приятном человеке и хорошем товарище. Одним из покровителей Полякова был начальник отдела кадров ГРУ генерал-лейтенант Сергей Изотов, до этого назначения 15 лет проработавший в аппарате ЦК КПСС. В деле Полякова фигурируют дорогие подарки, сделанные им Изотову. А за генеральское звание Поляков презентовал Изотову серебряный сервиз, купленный специально для этой цели ЦРУ.
Звание генерал-майора Поляков получил в 1974 году. Это обеспечило ему доступ к материалам, которые не были связаны с его прямыми обязанностями. Например, к перечню военных технологий, которые закупались или добывались разведывательным путем на Западе. По признанию помощника министра обороны США при президенте Рейгане Ричарда Перла, у него захватило дух, когда он узнал о существовании 5000 советских программ, использовавших западную технологию для наращивания военного потенциала. Перечень, представленный Поляковым, помог Перлу убедить президента Рейгана добиться ужесточения контроля над продажей военной технологии.
В конце 70-х годов Полякова вновь направляют в Индию в качестве резидента ГРУ. Он находился там до июня 1980 года, когда его отозвали в Москву. Впрочем, это досрочное возвращение не было связано с подозрениями, которые могли возникнуть против него. Просто очередная медицинская комиссия запретила работать ему в странах с жарким климатом. Однако американцы забеспокоились и предложили Полякову выехать в США, но он отказался и вернулся в СССР.
Арестовали Полякова в конце 1986 года по наводке Эймса. Во время обыска, произведенного на его квартире, на даче и в доме его матери были обнаружены вещественные доказательства его шпионской деятельности. Следствие по делу Полякова вел следователь КГБ полковник Александр Духанин, позднее ставший известным по так называемому «Кремлевскому делу» Гдляна и Иванова. В начале 1988 года военная коллегия Верховного суда СССР приговорила Полякова за измену Родине и шпионаж к расстрелу с конфискацией имущества. Приговор был приведен в исполнение 15 марта 1988 года.
Что касается операций ЦРУ, то благодаря Эймсу советская контрразведка в декабре 1985 года пресекла одну из наиболее важных из них, проходившую под кодовым названием «Абсорб». Суть данной операции сводилась к тому, чтобы при помощи специальной аппаратуры, помещенной в железнодорожный контейнер, снимать информацию о секретных перевозках по Транссибирской железной дороге. Вот что рассказывал об этой операции ЦРУ бывший начальник 1-го (американского) отдела Второго главного управления КГБ Рэм Красильников:
«21 декабря 1985 года контейнеровоз «Сибирь-Мару» прибыл в Находку. Вот тогда и начали происходить захватывающие события, в центре которых оказался контейнер с горшками, ибо этот груз, занимавший всего лишь треть контейнера, маскировал сложную электронную аппаратуру, собиравшую секретную информацию на территории Советского Союза…