Sau những đóng góp to lớn của Richard Sorge cho Liên Xô, thì không lâu sau, mạng lưới tình báo của ông đã bị phát hiện.
Vào tháng 10/1941, cảnh sát Nhật Bản thẩm vấn một thợ may - người này trước đây được một điệp viên cấp dưới của Ozaki tên là Yotoku Miyagi tuyển dụng. Người thợ may này đã khai ra tên của Miyagi. Khi cảnh sát đến bắt Miyagi, anh đã cố gắng cứu các đồng nghiệp của mình bằng cách lao mình qua cửa sổ để tự vẫn.
Tuy nhiên, cú ngã đã không lấy đi mạng sống của Miyagi. Anh bị kéo lê trở lại phòng thẩm vấn trong tình trạng xương cổ bị gãy, Miyagi đã khai ra Ozaki và Sorge là những điệp viên của Liên Xô. Ngày 18/10/1941, Sorge bị bắt.
Sau một tuần chống đỡ với những đòn tra tấn dã man của phát xít Nhật, cuối cùng Sorge đã chấp thuận khai báo đầy đủ mọi hoạt động của ông cùng mạng lưới tình báo của Liên Xô ở Nhật Bản. Với điều kiện là, chính quyền không áp dụng hình phạt gì đối với người yêu của ông - cô gái người Nhật Bản có tên là Hanako Iishi và vợ một số đồng nghiệp của ông - những người thường bị ông trổ tài "trêu hoa ghẹo nguyệt".
Ba năm sau đó, Sorge bị giam giữ trong nhà tù Sugamo của Nhật Bản. Sau hàng tháng trời thẩm vấn, ông bị xét xử và kết tội làm gián điệp. Tháng 9/1943, ông bị kết án tử hình.
Tuy nhiên, Sorge vẫn cứ tin rằng, ông sẽ không bị đưa lên giá treo cổ bởi một lý do: Tokyo sẽ trao đổi ông với một người Nhật Bản mà Moscow đang giam giữ. Những người bắt giam ông cũng nghĩ tương tự như vậy.
Phát xít Nhật đã ba lần tiếp xúc với Moscow để thỏa thuận một cuộc trao đổi tù binh. Nhưng lần nào cũng vậy, Tokyo chỉ nhận được một câu trả lời duy nhất từ Moscow rằng: "Chúng tôi không biết người nào có tên là Richard Sorge"!.
Việc nhiều nước không thừa nhận gián điệp của họ cũng là lẽ thường tình. Tuy nhiên, Sorge có lẽ đã phải chấp nhận số phận bi đát bởi một lý do khác. Vì ông là người gợi lại cho Stalin về sự hổ thẹn khi không nghe theo những lời cảnh báo của ông về cuộc tấn công của phát xít Đức đối với Liên Xô. Một người như vậy chắc chắn sẽ không được Stalin đón chào.
Thái độ thờ ơ của Matxcơva đối với số phận của Sorge khiến người Nhật thấy rằng, sẽ chẳng ích gì nếu cố thỏa thuận một cuộc trao đổi tù nhân. Ngày 7/11/1944, Richard Sorge bị treo cổ trong nhà tù Sugamo.
Trước khi lên đoạn đầu đài, ông cũng không biết được rằng vợ ông, Katya Maximova đã chết trước đó hơn một năm. Sau những năm tháng cô đơn chờ đợi ông ở Nga, cô đã bị NKVD bắt giam vào tháng 9/1942 với lời cáo buộc… làm gián điệp cho Đức.
Cô qua đời trong một trại cải tạo lao động ở Siberia một năm sau đó. Tội danh thực sự của cô có lẽ là… làm vợ của Richard Sorge!
Còn người tình của Sorge là Ishii Hanako - mối tình cuối cùng và bất tử của ông được đối xử tốt hơn. Chính quyền Nhật Bản tôn trọng cam kết của họ là không truy tố cô. Iishi được phép sống nốt quãng đời của mình một cách lặng lẽ ở Tokyo.
Vào năm 1949, Iishi đã bỏ tiền ra để di dời hài cốt của Sorge từ nghĩa địa của nhà tù sang một nghĩa địa có nhiều cây cối xanh tốt ở ngoại ô Tokyo. Bà cũng chính là người đã chăm nom phần mộ của ông cho đến khi qua đời ngày 4/7/2000 ở tuổi 89.
Năm 1961, một bộ phim của Pháp có tựa đề "Sorge, ngài là ai?" được công chiếu rộng rãi ở Liên Xô. Nhà lãnh tụ Xô viết Nikita Khrushchev xem xong bộ phim đã hỏi KGB liệu câu chuyện đó có thật không?
Khi sự thật được khẳng định, Khrushchev đã quyết định phong tặng Richard Sorge danh hiệu Anh hùng Liên Xô - danh hiệu cao quý nhất của nhà nước Liên Xô.
Ngày nay, danh hiệu này được tạc trên tấm bia mộ của Sorge làm từ một tấm đá cẩm thạch màu đen lớn. Tên của ông cũng được đặt cho một con phố ở thủ đô Matxcơva và những con tem cũng in hình ông để tưởng nhớ đến công lao đóng góp của ông cho đất nước.
Nhà lãnh đạo Khrushchev đã giúp Richard Sorge đi vào lịch sử với tư cách nhà tình báo vĩ đại của thế kỷ XX.