ペンコフスキーは反逆罪とスパイの罪で1963年に裁判にかけられたとされている。ソビエトでの処刑に用いられる通常通りの方法で、首の後ろを銃で撃たれたとする証言がある一方で、生きたまま火葬され灰はモスクワのドンスコイ墓地に埋葬されたとする者もいる。

ヴィクトル・スヴォーロフは、ペンコフスキーであると特定はしていないものの、担架に縛り付けられたGRU大佐が生きたまま火葬されるフィルムをモスクワのGRU本部で見たと証言している[6]。