Вечером 23 декабря 1958 года Попов позвонил на квартиру атташе посольства США Р.Ланжелли и условным сигналом пригласил его на личную встречу, которая должна была состояться в воскресенье 27 декабря в мужской уборной Центрального детского театра в конце первого антракта утреннего спектакля. Но Ланжелли, пришедший в театр с женой и детьми, напрасно прождал Попова в условленном месте — тот не пришел. В ЦРУ были обеспокоены невыходом Попова на связь, и совершили ошибку, стоившую ему жизни. По словам Кайзвальтера, привлеченец ЦРУ Джордж Пейн Уинтерс-младший, работавший в Москве представителем госдепартамента, неправильно понял указание послать письмо Попову, и отправил его по почте на домашний адрес в Калинин. Но, как показали в дальнейшем перебежчики Носенко и Черепанов, сотрудники КГБ регулярно напыляли на обувь западных дипломатов специальное химическое вещество, которое и помогло проследить путь Уинтерса до почтового ящика и изъять письмо, адресованное Попову69.
В свете вышесказанного можно уверенно говорить, что М.Хайд в своей книге «Джордж Блейк-супершпион», а вслед за ним и К.Эндрю ошибаются, когда приписывают разоблачение Попова Дж. Блейку, сотруднику СИС, завербованному КГБ в Корее осенью 1951 года. М.Хайд пишет, что после перевода из Вены Попов написал письмо Кайзвальтеру, объясняя в нем свои затруднения, и вручил его одному из членов британской военной миссии в Восточной Германии. Тот передал послание в СИС (Олимпийский стадион, Западный Берлин), где оно легло на стол Блейка вместе с инструкцией переслать его в Вену для ЦРУ. Блейк так и сделал, но лишь после того, как прочитал письмо и передал его содержание в Москву. По получении сообщения, КГБ взял Попова под наблюдение, и когда тот прибыл в Москву, арестовал его. Блейк в своей книге «Иного выбора нет» справедливо опровергает это утверждение, говоря, что письмо, врученное Поповым сотруднику британской военной миссии, не могло попасть к нему, так как он не отвечал за связи с этой миссией и ЦРУ. И потом, если бы КГБ знал еще в 1955 году, что Попов — американский агент (это случилось бы, если Блейк сообщил о письме), то его не держали бы в ГРУ и тем более, не поверили бы его объяснениям по поводу провала Тайровой70.
Проследив путь Уинтерса и узнав, что тот отправил письмо сотруднику ГРУ, контрразведка КГБ взяла Попова под наблюдение. В ходе наблюдения было установлено, что Попов дважды — 4 и 21 января 1959 года — встречался с атташе посольства США в Москве Ланжелли, причем, как выяснилось впоследствии, во время второй встречи получил 15000 рублей. Было принято решение арестовать Попова, и 18 февраля 1959 года его задержали у пригородных касс Ленинградского вокзала, когда он готовился к очередной встрече с Ланжелли.
В ходе обыска на квартире Попова были изъяты средства тайнописи, шифр, инструкции, хранившиеся в тайниках, оборудованных в охотничьем ноже, катушке для спиннинга и помазке для бритья. Кроме того, было обнаружено тайнописное донесение, подготовленное для передачи Ланжелли:
«Отвечаю на Ваш номер один. Ваши указания принимаю к руководству в работе. На очередную встречу вызову по телефону перед отъездом из Москвы. При невозможности встретиться перед отъездом напишу на Краббе. Копирка и таблетки у меня есть, инструкция по радио нужна. Желательно иметь адрес в Москве, но весьма надежный. После моего отъезда постараюсь два-три раза в год выезжать на встречи в Москву.
... Сердечно благодарен Вам за заботу о моей безопасности, для меня это жизненно важно. За деньги тоже большое спасибо. Сейчас я имею возможность встречаться с многочисленными знакомыми с целью получения нужной информации. Еще раз большое спасибо»71.
После допроса Попова было принято решение продолжить его контакты с Ланжелли под контролем КГБ. По словам Кайзвальтера, Попову удалось предупредить Ланжелли о том, что он находится под наблюдением КГБ. Он умышленно порезался и вложил под повязку записку в виде полоски бумаги. В туалете ресторана «Агави» он снял повязку и передал записку, в которой сообщал, что его пытают и что он находится под наблюдением, а так же каким образом его схватили. Но это представляется маловероятным. Если бы Ланжелли был предупрежден о провале Попова, он бы не стал с ним больше встречаться. Однако 16 сентября 1959 года он вышел на связь с Поповым, которая произошла в автобусе. Попов незаметно указал на магнитофон, чтобы Ланжелли узнал о наблюдении, но было уже поздно. Ланжелли был задержан, но благодаря дипломатическому иммунитету был отпущен, объявлен персоной «нон грата» и выслан из Москвы.