На Попова чекисты «вышли» через нового сотрудника посольства США в Москве (и ЦРУ) — атташе административно-хозяйственного отдела Рассела Аугуста Лэнжелли. Наружное наблюдение за ним в январе 1959 года установило факт передачи им на московской улице неизвестного предмета человеку в офицерской форме. Офицер был установлен — это был Петр Степанович Попов, подполковник интендантской службы, сотрудник одного из военных НИИ по разработке новейших образцов вооружения в Калинине, ранее по линии ГРУ находившийся в загранкомандировке в Австрии и ГДР (в разведпункте ГСВГ в Шверине и отделении нелегальной разведки группы ГРУ в Карлсхорсте). В октябре 1958 года он был уволен из ГРУ «за внеслужебную связь с австрийской гражданкой Эмилией Коханек». Именно связь с этой женщиной (и опасение репрессий в связи с этим) и послужила причиной его вербовки американскими разведчиками в Вене в 1951 году (по показаниям самого Попова на следствии, по данным ЦРУ, он, нуждаясь в деньгах на аборт своей любовницы, добровольно предложил свои услуги в январе 1953 года в Вене).
За пять лет работы на ЦРУ Попов передал сведения о 650 сотрудниках негласного аппарата ГРУ, «о порядке ведения боевых действий, оснащенности танковых, механизированных и пехотных дивизий, о количестве самоходных десантных машин и бронетранспортеров, а также описание нескольких систем тактических ракет и подводных лодок, оснащенных ракетным оружием». Также от Попова американцы узнали об операции МГБ-КГБ «Исповедь» (прослушивание кабинета посла США в Москве), проводившейся с середины 40-х годов.
Розыск Попова начался еще в 1957 году, когда советским чекистам стало известно (от советского агента в английской разведке Джорджа Блейка, по другим данным — от разведки одной из стран Варшавского договора, получившим эти сведения из американских источников) о записи беседы министра обороны СССР маршала ПК. Жукова с высшим комсоставом группы советских войск в Германии, переданной американцам одним из присутствовавших на встрече. Попов на этой встрече был, но подозрение его тогда не коснулось. Это случилось позднее, осенью того же года (по рассказу сотрудника 2-го ГУ полковника, впоследствии генерал-майора Валентина Звезденкова). Эта версия, как видим, не совпадает с ранее приведенной.
В 1 — м отделе 2-го Главка КГБ на Попова было заведено оперативное дело, ему присвоили кодовое имя «Иуда». Дело Попова контрразведчики вели вместе с особистами — сотрудниками 3-го Главка.
За Поповым было установлено тщательное наблюдение. В результате на присланной домой Попову почтовой открытке было обнаружено зашифрованное послание американской разведки.
Тем временем Попов добивался восстановления на службе в ГРУ при помощи нового начальника военной разведки генерала армии И.А. Серова — бывшего председателя КГБ, который способствовал положительному решению, и бумаги о восстановлении были представлены на подпись министру обороны СССР маршалу Р.Я. Малиновскому. Чекисты, видимо, не могли повлиять на своего бывшего начальника Серова, известного своим скандальным характером, и вместо основательного наблюдения и оперативной игры с ЦРУ пришлось прибегнуть к крайним мерам. По другой версии, решение об аресте было принято после случайного «ухода» Попова от наружного наблюдения (на свидании с любовницей в Серебряном Бору под Москвой он бежал от внезапно появившегося мужа) во избежания его окончательного исчезновения.
Попов был арестован 18 февраля 1959 года у билетных касс Ленинградского вокзала, при нем нашли записную книжку с номером домашнего телефона Лэнжелли, пароль для вызова на встречу, шесть листов специальной копировальной бумаги, пакет с агентурным донесением, а при обыске в доме — средства для тайнописи, план радиопередач, шифровальные и дешифровальные блокноты, более 20 тысяч рублей денег.
Об аресте Попова объявлено не было, чекисты легендировали (перед окружающими и потенциально — перед ЦРУ) его перевод на службу в Уральский военный округ (в инженерно-саперный батальон в городе Алапаевске Свердловской области). Для подготовки информации о новом месте службы, которая показалась бы достоверной для ЦРУ, на Урал были командированы офицеры из 2-го и 3-го Главков (одним их них был военный контрразведчик Борис Гераскин, будущий генерал-майор).
Попов активно сотрудничал со следствием, и чекисты сочли возможным его участие в оперативной игре против ЦРУ «Бумеранг».