7 января 1960 года в Клубе чекистов им. Ф.Э. Дзержинского под председательством генерал-майора юстиции Виктора Борисоглебского состоялось заседание Военного трибунала, в ходе которого был оглашен приговор:

«Попова Петра Семёновича признать виновным в измене Родине и на основании ст. I Закона об уголовной ответственности предать смертной казни с конфискацией имущества».

Изменник был расстрелян, однако, по версии ещё одного предателя из ГРУ, бежавшего на Запад (в России известен как Виктор Суворов, автор книги «Аквариум»), Попов был заживо сожжён в спецкрематории КГБ. В качестве доказательства Суворов ссылается на короткую публикацию в «Правде», в которой вместо привычных в таких случаях слов «приговор приведён в исполнение», было напечатано: «уничтожен, как бешеный пёс».