据国民党特务沈醉回忆，整个“怪西人案”案件线索由军统湖北站发现，逮捕中共党员关兆南，并命令他写信到上海，引诱相关人员来武汉接头。中共派出陆独步抵达武汉，旋即被捕。戴笠把陆独步押解上海，引出了陆独步的哥哥陆海防。陆海防供出其上司所在，带着军统人员于法租界法国公园埋伏。陆海防上司为欧洲白人，陆氏只知他为第三国际人员华尔敦。法租界巡捕房见被捕者为白人，身上未有物证，甚至连身份证明都没有，不允立即引渡，羁押看管。次日，陆海防再供出一些与他有工作联系之人。
据沈醉回忆：“经我去逮捕能记到姓名的有电影女明星王×。当时她正在主演一部影片叫《自由神》，特务们把她逮捕以后，曾当面讥笑她‘自由神今天可能自由了’……另一个被捕的袁×，又名袁××，是个左翼作家，他写的书和文章都一起被抄，当时也一同受到优待。”沈醉提及的女明星为袁殊在剧社时合作的王莹，袁、王于1929年已然认识，后成挚友。王莹被关押一周后获释，袁殊因为确曾通过陆海防联络“怪西人”，被严密盘查。陆海防投降后，向袁殊展示其字迹，袁殊方才明白，一直与他秘密联系，交代工作的上级，正是陆海防。
王莹事件告一段落后，戴笠命武汉行营中校法官徐业道，考查袁殊。
袁殊考虑过后，写下数十言：“我不认识怪西人，过去也不认识陆海防，但从事过共产党的秘密情报工作，现在中日两国的问题是抗日问题，希望蒋先生领导全国人民抗日。”此时，抗日为国人之心愿，表明拥蒋抗日，亦无不可。事实上，由于中共和共产国际特工实行严密的纵向联系，在其上级悉数被捕的情况下，袁殊自首，亦未对共产党的情报系统造成破坏。
被关押一个多月以后，宣判袁殊刑罚。袁殊意想不到的是，承审该案的并非武汉行营军事法庭，而为地方法院。检察官以“危害国民紧急治罪法”起诉他，判决时却以“宣传与三民主义不相容思想”的“思想文化罪”论处，判监两年零九个月，按律减刑一半，只需执行刑期一年零三个月。刑罚甚轻，主要是因为袁父向陈立夫求情，夏衍、蔡叔厚等人亦托人解救，加上张仁奎指示其弟子从中斡旋。甚至日本驻沪领事馆都起了一些作用。
袁殊先在第一监狱病号室获“优待”两天，随即转送湖北省反省院。该院院长为黄宝石，是中统特务头子、国民党上海市社会局局长吴醒亚湖北帮“参谋长”。袁殊曾受王子春之命，以袁晓岚之子、湖北同乡的身份，打入中统吴醒亚派。此次人由军统转交中统看押，陈立夫的作用尤大，袁殊在狱中待遇自然较优。
1936年5月，袁殊刑满出狱，黄宝石赠他200元钱，以及一张直通南京的船票，要求他晋见陈立夫。袁殊以路费已足，并未接受赠款。但袁殊知道，如果一被释放就去见陈立夫，就意味着首先投奔CC系，也就意味着完全背叛了革命、背叛了共产党。他知道，戴笠和王新衡也不会放弃要他去加入军统的希望。然而袁殊不想改变当初参加革命参加党的初衷。因此，他被释放后首先想做的事就是希望尽快找到党，希望能够继续为党工作。
袁殊回到上海，党内同志自然会对他保持警惕。他只好去找虽不是党员但同党始终保持密切联系的孙师毅。
孙师毅见到袁殊后劈头一句便问：“你回到上海是帮助特务抓人的呢，还是来看望老朋友的呢？”
这使袁殊十分尴尬，袁殊赶忙诚恳解释：“我回上海就是要向老朋友请示今后行止的。”
孙师毅是个大好人，第二天就将袁殊的情况告诉了刚从陕北来上海不久的冯雪峰。冯雪峰此次来上海的主要使命，是开展抗日民族统一战线工作。他虽然已经从孙师毅的介绍中知道了袁殊被捕后的一些表现，但他还是答应了和袁殊见面。
见面时，袁殊向冯雪峰汇报了近年来的情况。但冯雪峰并未明确表示什么或做任何承诺，只是建议袁殊先找一个教书的职业避一避风头再说。在没有对袁殊进一步审查并得出相应结论之前，冯雪峰也只能这么做，袁殊却深感失望。
袁殊立即向冯雪峰表示：“既然如此，我想再去日本学习一回。”袁殊还自我解嘲说：“革命不成，先弄个文学博士回来。”
冯雪峰表示：“这样也好！”随后还给袁殊送去50元路费。
袁殊动身之前，又去日本驻上海领事馆联系。鉴于袁殊曾是日方的情报人员，释放后又主动找上门来，日本领事馆表示热烈欢迎，立即为袁殊办妥了一切赴日手续，并送给200元路费，同时让袁殊到东京后再去找正在外务省供职的岩井英一联系。
袁殊到日本后立即去找岩井英一。岩井英一果然对袁殊给予了特别的关照。不仅为袁殊介绍学校，介绍一批学界与政界朋友，而且每月向袁殊提供150元的生活用费。岩井英一所以如此特别关照袁殊，当然不是所谓的朋友之谊，而完全是一种政治投资。袁殊自然也是心中有数的，但他乐于利用这样的“特别关照”。袁殊于是在妻子马景星陪同下前往日本早稻田大学历史系做清水泰次教授的研究生，有时也向避难在那里的郭沫若学甲骨文。
1937年4月，袁殊第二次在日本“留学”还不足一年时间便又返回到上海。这时中日关系已十分紧张。
岩井英一对袁殊说过：“日中关系破裂的大局已定。”
言下之意是希望在日中关系“破裂”后袁殊能继续和日方合作。
但袁殊回到上海后，首先去找冯雪峰，向冯汇报了这近一年时间在日本的情况，希望党对他今后的行止有所指示。鉴于袁殊的情况是如此的特殊而又复杂，冯雪峰一时也不知道如何安排为好。当时地下党的同志一般都认为袁殊早已是“转向”人物，不能轻信，夏衍对此尤其心存芥蒂。冯雪峰只得让袁殊先利用旧关系找点事情做再说。
其时，潘汉年奔波于沪宁杭，参与第二次国共合作谈判。
袁殊不知道中共对他抱怎样的态度，心里也很惘然。
一个月后，袁殊将一份有关日本各重要城市状况的机密资料交给了潘汉年，希望借此得到中共的谅解和信任。袁殊带着试探性的口气，问潘汉年：“以后的工作该怎么办？我现在是一方面和中统吴醒亚有联系，另一方面和日本驻上海领事馆也有联系的。”
从袁殊的口气中，潘汉年自然清楚他的用意。作为当时国共谈判桌上中共的全权代表，潘汉年认为在中日战争一触即发、国共两党合作大势所趋的形势之下，用好袁殊这样的情报人员是十分必要的。所以他当即表态欢迎袁殊继续与中共合作，并指示他：“你可以用抗日的名义继续和军统保持联系，也可以和日本领事馆应付。但你要准备承受外界对你的误解和抨击。”
1937年4月，为了加深保护色，开拓情报来源，冯雪峰建议袁殊“找杜月笙想想办法”，于是袁殊加入了上海的江湖帮会——青帮，并成为可以和杜月笙、黄金荣平起平坐的“通”字辈师兄弟。此后，袁殊成为和中统吴醒亚、日本驻上海领事馆、社会帮会都有一定联系，集多种身份于一身的情报人员。他巧妙地利用这种多重身份广开情报来源，上报给中共中央，为当时地处苏区、消息相对比较闭塞的中共中央提供了许多有价值的情报。
“七·七”事变后不久，上海发生了“八·一三”事变。淞沪抗战期间，日本政府决定增兵上海。9月中旬派往上海的部队已达五个师团，近二十万人。10月初，第一〇一师团、第九师团、第十三师团又先后抵沪。日军企图迅速进入苏州河一线消灭上海北部的中国守军。为配合守军打击侵略者，袁殊化装成日本学生，冒着生命危险亲临日军阵地侦察。袁殊操着一口流利的日语，置身于荷枪实弹的日本人中间，一边机智地应付着正在指挥部队的军曹，一边将日军兵力部署和军车调动情况记在心中。袁殊顺利完成实地侦察任务，给守军提供了重要军事情报，为上海抗战立了大功。
淞沪抗战爆发后，形势急剧紧张，国民党开始向大后方撤退。戴笠正在布置潜伏任务，急需懂日语的情报人员。杜月笙提醒戴笠，曾被军统逮捕过的袁殊是留日学生，有很多日本方面的关系，与日本领事馆副领事岩井英一关系不错，现在生活正无着落，不妨给他布置些任务。戴笠得知这一情况后，便打算拉袁殊加入军统，以便利用袁殊来沟通军统与日本人的关系。
一天清晨，戴笠突然亲临位于武康路袁殊妻子马景星的私宅，让袁殊第二天9点去面谈，同来的军统上海区区长周道三留下地址便登车而去。
袁殊感到十分意外，立即向潘汉年汇报。
潘汉年分析戴笠是要袁殊为他做事，认为“机会难得”，让袁殊趁机打入军统。
接受了潘汉年的指示后，袁殊如约来见戴笠。戴笠毫无客套，劈头就问：“你现在靠什么生活？”
袁殊按事先想好的回答：“靠老婆生活。”
戴笠马上说道：“那你就给我做事吧。”
袁殊问他：“不知戴先生要我做什么事？”
戴笠说：“留日学生不做抗日工作做什么？”
既然是抗日工作，袁殊表示愿意为国效力。于是戴笠便向袁殊交代了工作，给了他两项具体任务：一是收集日本方面的情报；二是将来时局无论怎样变化都要坚持留在上海。
就这样，袁殊打入了军统，被戴笠委任为军统局上海区国际情报组少将组长。虽然要接受一名军衔比他低的军统上海区区长的领导，但袁殊可以充分利用打入军统的机会开展情报工作，从事秘密地下抗日斗争。
1937年11月12日上海沦陷，潘汉年于12月中旬撤离到香港。临行前潘汉年向袁殊交代：今后通过刘少文与组织保持联系，但有关情报方面的情况仍只与他单线联络。
日军占领上海后继续西进，12月13日攻入南京，进行了灭绝人性的大屠杀。消息传到上海，群情激愤。袁殊运用“军统”身份组织了“抗日秘密行动小组”，首领是“抗日铁血团”的成员王铁民。
1938年夏，袁殊亲自领导策划行动小组干了一件大快人心的事。在虹口本田纱厂后院有一个日本海军军火仓库，袁殊派人侦察后，发现只有一个当伙夫的外乡人可以自由出入。于是他派王铁民化装成黄包车夫，以帮助买菜为名出面与那个伙夫搭讪，一来二去混熟了。
一天，袁殊将事先准备好的定时炸弹交给王铁民，王铁民将炸弹藏在送给伙夫的菜筐内，由伙夫带进库房，并约伙夫“晚上务必出来去相亲”。待到深夜，一声巨响把日海军仓库引爆，冲天大火划破夜空。袁殊将伙夫接上事先准备好的吉普车，迅速离开现场。这次行动狠狠打击了日本侵略者的嚣张气焰，上海人民无不拍手称快。
第二天，日本驻沪领事馆的岩井英一约见袁殊，通报了海军军火仓库被炸一事，说日本方面对此事非常恼火，勒令限期破案，岩井英一要求袁殊尽快从上海中统或军统方面打探此次行动是谁干的。袁殊表面答应去办，心里却乐开了花。
1938年年末，“抗日秘密行动小组”又组织了伏击汉奸、伪江苏省省长陈则民和伪大民会会长冯心如的秘密行动。汉奸陈则民，1880年生，曾经留学日本法政大学，并娶了日本女子为妻。日本鬼子侵略中国后，他成了汉奸，先出任苏州维持会会长，后又任汪伪政权的江苏省省长。尽管当时没有杀死汉奸陈则民，但在日寇气焰如此嚣张之时，也极大地鼓舞了全国人民抗日的斗志。
袁殊除肩负隐蔽战线特殊任务外，还以各种化名从事文化、新闻战线的抗日救亡工作。国共两党合作抗战的时期，双方创办了一张文化界抗日统战性质的《救亡日报》。这张四开一张的报纸是在周恩来指示之下，由潘汉年出面与国民党负责文化工作的潘公展商谈，各出资500元开办的。中共方面由郭沫若担任社长，夏衍任总编辑。
《救亡日报》创办伊始，在政策思想方面国共双方就存在着矛盾和斗争。郭沫若亲自采访和撰写的评论文章坚持团结抗战的大方向，国民党方面的周寒梅却千方百计要改动内容，在印刷发行上百般刁难。无奈之下，夏衍遂请袁殊出面斡旋。袁殊运用他的特殊社会关系，从中进行调和，他以“不要过分为难”等理由劝阻了周寒梅。几经交涉，使郭沫若的文章得以全文刊登。为表谢意，郭沫若手书诗一首赠袁殊：
猛论如虎贪击狠，狂寇而今已碰墙。
十万健儿争死国，拼将碧血染疆场。
1939年5月戴笠电召袁殊到香港，嘉奖“行动小组”抗日有功。在军统骨干会议上训话时，戴笠从腰间掏出一把加拿大造的手枪往桌上一拍：“你们每个人可以带回两把这种新式手枪，可以用它杀敌。”话锋一转，他又望着袁殊说：“谁要是对团体不忠，也可以用这个来对付他！”
会后，戴笠单独召见袁殊给予奖励，同时又布置了他暗杀汪伪特工总部头子李士群的任务。李士群投靠日本人后，杀了不少军统的人，戴笠对李士群恨之入骨，决心除掉他。
在香港，袁殊获悉和他中断联系已有近一年时间的潘汉年正在香港活动，袁殊便设法找到了潘汉年。袁殊与潘汉年单独见面后，将自己这段时间在上海的的情况向潘汉年作了汇报。潘汉年告诉他，自己不久也将去上海。