事后，克格勃的领导批评罗森堡这样做太冒风险，他却毫不在意地说：同那些在敌人坦克面前冲锋陷阵的苏联红军战士相比，我所冒的风险不到百分之一。
    这里需要指出，罗森堡除了直接向前苏联提供情报外，他还秘密发展了自己在大学期间几名思想进步的同学充当苏联间谍，他们通过罗森堡向前苏联提供了一些情报。1944年，罗森堡发展了他的内弟戴维格林格拉斯为苏联间谍，当时，他绝对不会想到，5年后正是这位卑微的内弟出卖了自己。格林格拉斯在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯核试验基地工作，偷窃美国的原子弹技术是当时苏联间谍的最主要任务，但格林格拉斯只是试验基地的一个极低层的工作人员，根本接触不到核心机密，被发展后，他只偷了几份无关紧要的文件交给罗森堡。
    1946年夏天，克格勃总部通知费克利索夫，联邦调查局正在调查苏联在二战期间在美国建立起来的间谍网，克格勃在纽约的一切秘密活动都要立即停止。这是因为随着战争结束，美国情报机构得以从国外战场上抽出身来，目光对准了国内。负责侦听和破译工作的美国国家安全局制定了一个代号为韦诺纳的绝密计划，目的是要破译苏联的通讯联络密码，这个计划很快被莫斯科知道了，所以急令在美国的间谍停止活动。一个闷热的夜晚，费克利索夫和罗森堡在纽约的一家饭店见面，这是他们50多次见面的最后一次。费克利索夫告诉罗森堡今后同克格勃恢复联系的暗号和地点，并交给他1000美元在紧急情况下使用。
    前苏联在世界各地的特工人员都使用统一的一次性密码本，这种密码本的每一页只能用一次，用后立即销毁。一个偶然的机会，由于前苏联驻波兰大使馆机要员的疏忽，烧毁密码本时没有烧尽，美国花重金从波兰人手中购得残缺的密码本，从而获得了破译前苏联通讯密码的线索。从1947年开始，韦诺纳计划的专家们陆续破译出苏联密码，从而发现了前苏联在美国的原子弹间谍网。
    1949年，根据破译的密码，联邦调查局在洛斯阿拉莫斯核试验基地展开调查，很快，格林格拉斯落网，他供出了他的姐姐和姐夫，罗森堡夫妇被捕。
    当时正处于冷战的高峰时期，美国的麦卡锡主义甚嚣尘上，反共气氛十分嚣张，原子间谍案成了右翼势力迫害进步人士的借口。1948年总统大选中，国会参众两院同声指责行政部门疏忽大意，未能查出赤色分子，共和党总统候选人杜威指责杜鲁门政府悉心照顾共产党。这种气氛注定了罗森堡夫妇的悲剧性角色。
    审判一开始，天平就像一边倾斜。主审法官把美国在朝鲜战争中的失利归咎于罗森堡夫妇，艾森豪威尔总统说罗森堡夫妇实质上背叛了全体美国人民他们的行为实质上出卖了自由世界人民此刻正在为之战斗，为之流血牺牲的自由事业。一桩间谍案被提到如此高度，实属罕见。
    在这种歇斯底里的喧嚣中，罗森堡夫妇被判处死刑，从而在美国引起一场风波。争议的焦点是联邦调查局给罗森堡夫妇定罪的证据。联邦调查局的证据有二：一是戴维格林格拉斯的供词，他指认自己的姐姐、姐夫是他充当间谍的引路人；二是联邦调查局掌握的前苏联密码，当时尚属最高机密，无法在法庭上用来作为指证罗森堡夫妇的证据。
    联邦调查局言之凿凿，可罗森堡夫妇却死不认罪，这是美国乃至世界舆论明显分成两派，本案因而成为美国司法史上最具争议性的案件之一。
    联邦调查局在量刑的同时指出，如果罗森堡夫妇愿意招供，可以为他们减刑。但从作出死刑判决的1951年4月5日到执行死刑的1953年6月19日，罗森堡夫妇始终拒绝跟联邦调查局合作，在审讯中一言不发。
    罗森堡夫妇慷慨赴死，是联邦点查局这帮法官大失所望，也大为震惊。罗森堡间谍案在美国乃至全世界都引起了轰动。法国谴责美国野蛮的迫害忠良，罗马教皇向艾森豪威尔发出呼吁，希望总统能免罗森堡夫妇一死。
    1952年，美国成立了要求公正审理罗森堡夫妇全国委员会，一年内其分支机构遍布20余个国家。从1952年底到1953年，有24个国家发生了要求赦免罗森堡夫妇的游行。
    1953年1月，德怀特艾森豪威尔就任总统。示威者到白宫门口守夜，要求赦免罗森堡夫妇。
    1953年6月10日，上诉法院最后驳回上诉，决定于6月18日行刑（后又延期一天）。从6月10日至18日，世界各地发生了几百起支持罗森堡夫妇的示威游行。在巴黎，成千上万的人涌上街头；在爱尔兰，中央情报局都柏林情报站遭到燃烧弹袭击；伦敦的交通被抗议者堵塞；意大利许多城市发生了持续15分钟的罢工。即使是在美国最高法院，法官们也存在意见分歧。
    6月19日，罗森堡夫妇在臭名昭著的纽约星星监狱被处以死刑，罪名是偷窃美国制造原子弹的秘密情报。这是美国历史上第一对因间谍罪而被处死的平民夫妇，因此当时的美国联邦调查局局长胡佛将此案称之为世纪罪案。
    罗森堡夫妇受刑十几年后，一直是世界各国报纸、杂志和电视的热门话题，也是美国历史上争议最大的一个问题。