На тридцати четырех конспиративных встречах с сотрудником ЦРУ Паулем Диллоном, проведенных в Дели с июня 1973 г. по май 1976 г., Поляков передал американской разведке фотопленки и сведения об организационной структуре Генштаба, ГРУ и других структурных подразделений Министерства обороны СССР, о личном составе резидентур ГРУ в США и Индии, о нелегалах ГРУ в США, методах их подготовки и способах поддержания с ними связи. Американцам были также переданы Поляковым сведения, характеризовавшие заинтересованность советской стороны, в частности ВПК, в получении основных технических данных по заводу тяжелой воды в г. Бароде (Индия) и сведений о технологическом процессе производства тяжелой воды; основных данных по проблеме производства жидкого и твердого водорода; информации о ведущихся разработках в области химического и биологического оружия и средств защиты от оружия массового поражения. Передал он ЦРУ и более 100 выпусков журнала «Военная мысль», издаваемого Генштабом, а также многие, многие другие документы, имевшие грифы «Совершенно секретно. Особой важности».
После отъезда из Индии Диллона и вплоть до окончания срока своей загранкомандировки Поляков поддерживал личную связь с приехавшим на смену американским разведчиком, с которым провел три конспиративные встречи в своем доме и магазине при отеле «Акбар».
В процессе одной из встреч, происходившей в доме Полякова, ему были переданы дополнительно часы-радиосигнализатор, а также подзарядное устройство к приемопередатчику, закамуфлированные в музыкальном стереоцентре «Нейшнл Панасоник» бытового назначения.
За свое преступное сотрудничество со спецслужбами США Поляков получил в Дели от американских разведчиков различные ювелирные изделия из золота и бриллиантов, фотоаппарат марки «Никон», охотничье ружье марки «Ремингтон», а также много разных охотничьих и рыболовных принадлежностей – всего на общую сумму не менее 53 906 рублей.
15 октября 1976 г. Поляков по окончании срока командировки вылетел в Москву, вывезя в своем багаже сокрытые предметы шпионской экипировки.
На работе в Военно-дипломатической академии (1976—1979 гг.). После возвращения из Индии и проведения очередного отпуска за 1976 г. Поляков с 16 июля по 15 декабря 1976 г. находился в распоряжении ГРУ ГШ. 9 ноября 1976 г. на Полякова заместителем начальника ГРУ ГШ контр-адмиралом В.Н. Ващенко утверждается заключение по работе в загранкомандировке в Индии. В нем указывалось, что поставленные на командировку задачи он выполнил, далее в заключение предлагалось, учитывая большой опыт оперативной работы за рубежом и в Центре, политические и деловые качества, склонность к научной работе использовать Полякова на руководящей работе в Академии Советской армии.
Приказом начальника ГРУ от 15 декабря 1976 г. Поляков был назначен начальником 3-го факультета (оперативной разведки) ВДА. На новой должности он был относительно свободен, никакой конкретной работы не выполнял, поэтому решил восстановить связь с американской разведкой. С конца ноября – середины декабря 1976 г. по июнь 1977 г. в соответствии с графиком Поляков провел 9 сеансов двухсторонней радиосвязи, работая из движущегося троллейбуса на американское посольство (ул. Чайковского, 17), а также с Ленинского проспекта в направлении расположенного там же дома 45 и дома 83 по ул. Вавилова, в которых проживали сотрудники посольской резидентуры ЦРУ. В ходе передач он сообщал текущую информацию о себе, сборе сведений, подборе тайника, описание контейнера, а также о своей готовности к проведению тайниковой операции, одновременно получая от американцев указания и рекомендации по конкретным вопросам агентурной деятельности.
Начав свою работу в качестве начальника 3-го факультета ВДА, Поляков занялся изучением соответствующей специальной литературы, имевшей самое непосредственное отношение к роду новой его деятельности. В первую очередь ему пришлось ознакомиться с учебниками по оперативной и военно-стратегической разведке. Изучая их, он решил переснять их, для этого он использовал принесенный из дома фотоаппарат «Никомат», который иногда оставлял в своем сейфе. Он предпочитал этот фотоаппарат, так как он работал почти бесшумно, в отличие от других. В общей сложности в день он перефотографировал 20—30 листов. Эту работу производил в обеденный перерыв, поскольку держать дверь запертой в иные часы рабочего дня было нельзя, это могло привлечь к нему внимание со стороны.
Тайниковую операцию Поляков провел в июне 1977 г. днем, в середине недели. Он в то время находился в очередном отпуске. На 6 кассетах он отснял учебник по оперативной разведке, телефонный справочник ВДА, а также начальную часть учебника по стратегической разведке. Непроявленные пленки в кассетах он обмотал полиэтиленовой пленкой, изоляционной лентой, обмазал «Озекеритом» (горный воск) и обвалял в земле. Получился самый натуральный кусок земли. Описание контейнера передал американцам в одном из радиосеансов связи.