Олег Пеньковский родился в 1919 году. Закончив в 1939 году Киевское артиллерийское училище, принимал участие в войне против Польши 1939 года и в финской кампании. До 1943 года служил в политотделе, затем в штабе Московского военного округа в отделе спецпоручений, где имел доступ к секретной документации. Потом майор отправился на фронт. В 1944 году в госпитале в Москве познакомился с командующим артиллерией 1-го Украинского фронта генерал-полковником Сергеем Варенцовым, лечившимся в том же госпитале после того, как его машина попала под наш же танк. Когда оба вернулись в действующую армию, Пеньковский стал порученцем Варенцова, а потом командиром противотанкового полка. Войну закончил подполковником, имея 5 орденов и 8 медалей.
После войны Пеньковский закончил Академию имени Фрунзе (1948 год) и Военно-дипломатическую академию (1953) и был принят на работу в Главное разведуправление Генштаба (ГРУ). К тому времени он уже имел звание полковника.
В 1955 году он был военным атташе в Турции, являясь резидентом советской военной разведки, но через некоторое время был несколько понижен в должности — стал помощником нового резидента и атташе. В 1956 году якобы из-за конфликта с начальством уволен из ГРУ. Варенцов тогда в числе других военачальников посодействовал ему при устройстве в Академию им. Дзержинского начальником курса по изучению новой технологии, готовившего специалистов по обслуживанию ракет. Окончив курс, полковник Пеньковский в 1959 году вернулся в ГРУ, которое к тому времени возглавил новый начальник — бывший председатель КГБ Иван Серов. Он был определен в управление внешних сношений Госкомитета по науке и технике.
Каким-то образом Пеньковский имел доступ к сверхсекретной информации о советских стратегических ракетах, военном планировании и иностранной агентуре ГРУ. Эти сведения он передавал ЦРУ и МИ-6 (отдел внешней разведки английской СИС), которым сам предложил свои услуги еще в августе 1960 года. Предложение его было принято в апреле 1961-го. За время шпионской деятельности им было передано более 10 тысяч страниц информации, содержащих сведения о 5,5 тысячи советских секретов.
Благодаря Пеньковскому Запад избавился от иллюзий относительно советского ядерного превосходства, которым любил козырять Хрущев. На поверку оказалось, что 5000 американским ядерным боеголовкам СССР может противопоставить не более 400 своих. При этом ракеты плохо управляемы и обладают невысокой точностью попадания. Эти сведения помогли погасить Карибский кризис в октябре 1962 года, когда мир стоял на грани атомной войны. Тогда американский самолет-разведчик засек строительство советских пусковых установок на Кубе, что подтвердилось и сведениями от Пеньковского. Американцы объявили блокаду Кубы, потребовали демонтировать площадки и вывезти ракеты. Хрущев, поняв, что блефовать по поводу советской военной мощи бесполезно, вынужден был согласиться.
22 октября 1962 года КГБ арестовал Пеньковского. В мае 1963 года Военная коллегия Верховного суда приговорила его к расстрелу, и 16 мая приговор был приведен в исполнение.
ЦРУ и МИ-6 и сейчас считают операцию с Пеньковским "самой результативной секретной операцией из когда-либо проводимых против советской стороны".