1950年11月下旬，段云鹏回到台湾。在台湾，他在毛人凤的引领下，受到蒋介石的召见。蒋介石对他十分看重，亲自将段云鹏由上尉军衔直接提升为上校军统组长，负责京津一带的行动情报工作。对此，段云鹏感恩戴德。
从1950年开始至1953年上半年，全国轰轰烈烈地开展了历时两年多的镇压反革命运动，潜伏的国民党特务几乎被彻底消灭。京津两市的公安局不但控制了段云鹏的主要联系人，还逮捕了他联系发展的60多个特务。
1954年5月，公安部部长罗瑞卿指示，段云鹏对首都和中央领导人的安全威胁极大，要想尽一切办法抓住他。
1954年6月底，我公安机关得知段云鹏准备在两个月内由香港偷渡入境潜回京津。7月2日，在公安部的统一指挥下，京津两市公安局组织了专案组，由广州市公安局协同配合，在深圳、广州严密部署，一张大网已经向他张开，只等着他自投罗网。
军统飞贼段云鹏
1954年9月13日，段云鹏以香港大轮行副经理的身份，以到广州与和昌行洽商投资的名义，领到了入境签证。14日上午9时，段云鹏准时到达深圳。从这时起，他就被公安机关多层次地严密监控起来。晚7时到达广州的段云鹏，被广州和昌行的钱经理接到一家高级饭店，钱经理设宴为他接风洗尘。当酒足饭饱后的段云鹏回到房间后，几名公安干警突然出现在他面前。名噪一时的大特务段云鹏终于被捕了。
段云鹏被成功抓捕后，广州空军派专机将其押到天津，于9月24日押解进京，关押在北京市公安局草岚子看守所。
鹏的案子涉及京、津、沪、穗、鲁等五省市，同案犯多达100余人。破获了段云鹏的四个潜伏组、四个联络点，共捕获148名案犯，其骨干分子全部落网。
段云鹏被逮捕后，公安部门利用段云鹏与毛人凤进行周旋，让他们拱手送来了不少先进的特工器材和大量的经费。由于段云鹏认罪态度较好，遵照毛主席的“可杀可不杀的就不要杀”的指示，一直关在狱中。
段云鹏在监狱里除了写交代材料之外，就是回答有关台湾派遗特务的问题。在1962年，蒋介石叫嚣要反攻 大陆时，管理人员找他谈话，问他有什么想法。段云鹏说，蒋介石肯定打不过来，中国人民解放军多强大呀！监狱里也给他们放电影，放映故事片，也放映新闻片，多少对他是起到一定的教育作用的。
直到1967年10月11日文革时期，段云鹏被谢富治亲自签字处决。
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