Спустя некоторое время Леа поняла, что она далеко не единственная подруга галантного ротмистра. Однажды он пообещал сделать из неё вторую Мата Хари, что можно было истолковать двояко. А в конце ноября 1933 года вернувшийся после ночной попойки Сосновский стал туманно намекать ей на род своих занятий. Об этих намёках Леа рассказала близкому другу своей матери, владельцу типографии Штернгейму. Он сказал, что эти слова, конечно, отнюдь не обязательно свидетельствуют о том, что Сосновский — шпион, но посоветовал ей вести себя очень осторожно. Она уже целую неделю не получала от Сосновского денег, и теперь ей пришлось вместе с матерью переехать из пансионата в скромные меблированные комнаты.
В середине декабря 1933 года Сосновский решил предложить своей новой знакомой заняться шпионской деятельностью. Он, в частности, аргументировал это тем, что Леа — не немка, поэтому соображения патриотического характера не должны останавливать её. Она быстро согласилась, но уже тогда решила предать Сосновского.
Спустя четыре дня Сосновский сказал Леа, что будет выплачивать ей 1000 рейхсмарок в месяц. Она, безусловно, очень нуждалась в деньгах, а на её замечание, что занятие шпионажем опасно, он ответил, что это ещё и очень увлекательно.
Леа получила псевдоним Z-31 Антуанетта. Сосновский попросил её вести светский образ жизни, в частности, ежемесячно устраивать два приёма. А чтобы не вызвать подозрений относительно столь резкой смены образа жизни, она должна была по-прежнему выступать на сцене и делать эстрадную карьеру. Любопытно, что ротмистр не ограничивался устными инструкциями и дал ей изрядное количество книг и брошюр о шпионаже.
Светская жизнь требовала апартаментов, и 15 декабря 1933 года Леа вместе с матерью переехала в роскошную четырёхкомнатную квартиру на Халензее, которая раньше принадлежала актрисе Тине Эйлерс. Но щедрое вознаграждение отнюдь не изменило её планов, вызванных ревностью. О том, что она стала агентом Сосновского, Леа на всякий случай рассказала Штернгейму. Он немедленно переговорил об этом со своим старым товарищем, который служил в полиции и имел звание генерала. Тот, в свою очередь, сообщил эту новость гестапо и абверу. Капитан-лейтенант Протце, руководитель группы III-F управления абвера, занимающегося контрразведкой, установил контакт с Леа. Он приказал ей регулярно сообщать ему обо всех связях Сосновского и никому ничего не рассказывать.
Но Леа уже начала жалеть о своём решении, продиктованном ревностью, и рассказала Сосновскому о встрече с немецким контрразведчиком. С её помощью он передал в руки германской контрразведки свои заметки, телеграммы, финансовые документы и фотографии, которые были подлинными, но никоим образом не могли его скомпрометировать.
Леа даже несколько раз устраивала у себя дома встречи Сосновского с дамой, называющей себя Минни Ульрих Протце, которую в действительности звали Лена Скродцки. Она была секретаршей Протце, и ей было поручено следить за ротмистром. Они непринуждённо беседовали об искусстве и политике, и Лена даже не подозревала о том, что Сосновский прекрасно осведомлён о её миссии.
В начале 1934 года Сосновский уже настолько доверял Леа Ньяко, что рассказал ей некоторые подробности своей шпионской деятельности. Но Леа, видимо, решила продать всех всем — она записывала всё, что рассказывал ей ротмистр, и передавала эти записи абверу. Сосновскому и в голову не могло прийти, что события примут такой оборот. Однажды он даже рассказал Леа, что у него есть дубликат ключа одного из сейфов военного министерства.
26 января 1934 года в квартире Сосновского раздался звонок из Варшавы — ему приказывали срочно покинуть Берлин. Но он решил не спешить, почему-то считая, что у него ещё есть достаточный запас времени. Более того, азартный ротмистр даже приказал Леа сообщить офицерам абвера о его намерении уехать в Варшаву.
Выполнив этот приказ, Леа сообщила Сосновскому, что абвер намерен любой ценой предотвратить этот отъезд и ликвидировать его агентурную сеть. Теперь Сосновскому было необходимо предупредить своих агентов о грозящей опасности. 25 февраля 1934 года он обзвонил троих из них (кого именно, неизвестно до сих пор) и произнёс заранее условленную фразу: «Я отравился бифштексом». Все трое немедленно уезжают в Польшу.
Но Сосновскому не удалось сохранить в тайне имена всех своих агентов. Инструктируя Леа Ньяко, он упоминал Бениту, Ренату фон Натцмер и Ирену фон Иена. Танцовщица не преминула выдать эти имена германской контрразведке.
После состоявшегося 27 февраля 1934 года выступления Леа Ньяко на квартире Сосновского, расположенной на набережной Лютцовуфер, по этому поводу была устроена светская вечеринка. В самый разгар веселья в квартиру ворвалась группа гестаповцев во главе с начальником III управления (отвечавшим за контрразведку) обер-регирунгсратом Пачовским и руководителем восточного отделения III отдела, занимавшимся делами о государственной измене и контрразведкой, комиссаром Кубитцким.
В тот же день были арестованы Бенита, Рената и Ирена. Нарушив планы абвера, гестаповцы арестовали и Леа Ньяко, которую обвинили в выдаче ротмистру планов контрразведки. Следствие по делу агентов Сосновского продолжалось около года, обвиняемых содержали в тюрьме Моабит. Особенно активно сотрудничала со следствием Рената фон Натцмер, пытавшаяся свалить всю вину на Бениту.
За заслуги в разоблачении Сосновского капитан-лейтенанту Протце присвоили чин капитана третьего ранга. В Польше Сосновского заочно произвели в майоры.
Первой жертвой этого дела стал портной Сосновского, польский еврей Роман. Ротмистр во время допроса заметил, что Пачовский носит его любимый галстук, а другие офицеры гестапо одеты в его костюмы. Сосновский был возмущён этим и пожаловался своему адвокату. Портного вызвали в гестапо, провели очную ставку с этими офицерами и заставили в помещении гестапо давать показания на гестаповцев. Несчастный портной был так напуган, что повесился в своей мастерской.
Сосновскому присвоили чин подполковника. Об этом он узнал от адвоката Людвига, который был назначен судом. Он защищал также и интересы лидера коммунистов Эрнеста Тельмана, сидевшего в той же тюрьме.
Сосновскому удалось передать своим агентам записки, в которых он призывал их не терять мужества и намекал на возможность обмена. Бените он пообещал жениться на ней. Став польской гражданкой, она сможет избежать смерти, так как в то время в Германии иностранцам не выносили смертных приговоров. Ротмистр также писал: «Я не успокоюсь, пока Натц и Ирена также не выйдут на свободу. У тебя даже больше прав на обмен, чем у меня, так мне передали мои люди».
Столь необычное предложение вступить в брак не было пустыми словами. Второй брак Бениты 19 октября 1934 года был признан судом недействительным. Сосновский через своего адвоката пытался получить разрешение после своего развода жениться на Бените. Польский посол Липский сообщал в Варшаву: «По просьбе Сосновского я посетил имперского министра иностранных дел фон Нейрата и от имени Сосновского попросил разрешить ему вступить в брак с Бенитой фон Фалькенхайн. Фон Нейрат в качестве жеста доброй воли — по его собственным словам — отправился к Гитлеру и час спустя передал мне его слова: „Она совершила настолько серьёзное преступление, что он не имеет права проявить к ней никакого снисхождения“».
Слушание дела началось 5 февраля 1935 года, процесс был закрытым. В зал суда были допущены исключительно представители гестапо и министерства пропаганды. Сосновский признал только те факты, которые были подкреплены неопровержимыми доказательствами. Бенита ограничилась подтверждением признаний Ренаты фон Натцмер. Ирена отчаянно, но безуспешно пыталась смягчить свои первоначальные показания. Леа, выступавшая в качестве главной свидетельницы, не соглашалась с обвинениями прокурора и пыталась представить свои действия в выгодном свете.
Приговор был вынесен 16 февраля 1935 года. Бениту фон Берг и Ренату фон Натцмер приговорили к смертной казни, Сосновского и Ирену фон Иена — к пожизненному тюремному заключению. Леа Ньяко была освобождена в зале суда. Ей даже разрешили оставить полученные от Сосновского 4700 марок, с оговоркой, что это решение может быть опротестовано абвером.
Контрразведчики не только не стали мелочиться из-за шпионских денег, но и выделили танцовщице ещё 75 марок, а также пообещали устроить ей ангажемент. Однако гестаповцы сразу после вынесения приговора арестовали Леа, которая помогла раскрыть самую разветвлённую шпионскую сеть Германии. Её освободили только после личного вмешательства Гитлера. Дело Сосновского побудило фюрера изменить прежний, принятый в 1929 году, Закон о государственной измене и ужесточить наказание за предательство государственных интересов.