Durante su segunda misión allí, en 1959-1961, se acercó a agentes de contrainteligencia del FBI, para ofrecerles sus servicios como informante.
Algunos en la CIA consideran que Dmitri Poliakov se convirtió en un topo porque estaba crecientemente disgustado con la corrupción que existía en la élite del Partido Comunista de la URSS, y en general, dentro del establishment político-económico-militar soviético (llamado nomenklatura en ruso).
Sus contactos de la CIA no tenían ninguna información sobre lo que le podría haber ocurrido.
Pronto quedaría claro que había sido traicionado por algún topo soviético infiltrado en la CIA o, en su defecto, por algún estadounidense traidor.
Sólo varios años más tarde saldrían a la luz pública los nombres de los dos doble agentes estadounidenses que, traicionando a sus respectivas agencias federales, habían revelado la verdadera identidad y condición de Poliakov al KGB: por el lado de la CIA, se trataba del topo Aldrich Ames, detenido finalmente en 1994, y por el lado del FBI, Robert Philip Hanssen quien sería atrapado en 2001.