進入軍統 鐵血抗日
1937年4月，為了加強自身的保護色，開拓情報來源，馮雪峰建議袁殊“找杜月笙想想辦法”，於是袁殊加入了上海的江湖幫會——青洪幫，並成為可以和杜月笙、黃金榮平起平坐的“通”字輩師兄弟。此後，袁殊成為和中統吳醒亞、日本駐上海領事館、社會幫會都有一定聯係，集多種身份於一身的情報人員。他巧妙地利用這種多重身份廣開情報來源，上報給中共中央，為當時地處蘇區、消息相對比較閉塞的中共中央提供了許多有價值的情報。
“七?七”事變後不久，上海發生了“八?一三”事變。淞滬抗戰期間，日本政府決定增兵上海。9月中旬派往上海的部隊已達五個師團，近20萬人。10月初，第一O一師團、第九師團、第十三師團又先後抵滬。日軍企圖迅速進入蘇州河一線消滅上海北部的中國守軍。為配合守軍打擊侵略者，袁殊化裝成日本學生，冒著生命危險親臨日軍陣地偵察。他操著一口流利的日語，置身於荷槍實彈的日本人中間，一邊機智地應付著正在指揮部隊的軍曹，一邊將日軍兵力部署和軍車調動情況記在心中。他順利完成實地偵察任務，給守軍提供了重要軍事情報，為上海抗戰立了大功。
淞滬抗戰爆發後，形勢急劇緊張，國民黨開始向大後方撤退。戴笠正在布置潛伏任務，急需懂日語的情報人員。杜月笙提醒戴笠，曾被軍統逮捕過的袁殊是留日學生，有很多日本方麵的關係，與日本領事館副領事岩井英一關係不錯，現在生活正無著落，不妨給他布置些任務。戴笠得知這一情況後，便打算拉袁殊加人軍統，以便利用他來溝通軍統與日本人的關係。
一天清晨，戴笠突然親臨位於武康路袁殊妻子馬景星的私宅，要袁殊第二天9點去麵談，同來的軍統上海區區長周道三留下地址便登車而去。袁殊感到十分意外，立即向潘漢年彙報。潘漢年分析戴笠是要袁殊為他做事，認為“機會難得”，要袁殊趁機打入軍統。
接受了潘漢年的指示後，袁殊如約來見戴笠。戴笠毫無客套，劈頭就問：“你現在靠什麼生活？”
袁殊按事先想好的回答：“靠老婆生活。”
戴笠馬上說道：“那你就給我做事。”
袁殊問他：“不知戴先生要我做什麼事？”
戴笠說：“留日學生不做抗日工作做什麼？”
既然是抗日工作，袁殊表示願意為國效力。於是戴笠便向袁殊交代了工作，給了他兩項具體任務：一是收集日本方麵的情報，二是將來時局無論怎樣變化都要堅持留在上海。
就這樣，袁殊打入了軍統，被戴笠委任為軍統局上海區國際情報組少將組長。雖然要接受一名軍銜比他低的軍統上海區區長的領導，但他可以充分利用打入軍統的機會開展情報工作，從事秘密地下抗日鬥爭。
1937年11月12日上海淪陷，潘漢年於12月中旬撤離到香港。臨行前他向袁殊交代：今後通過劉少文與組織保持聯係，但有關情報方麵的情況仍隻與他單線聯絡。
日軍占領上海後繼續西進，12月13日攻入南京，進行了滅絕人性的大屠殺。消息傳到上海，群情激憤。袁殊運用“軍統”身份組織了“抗日秘密行動小組”，首領是“抗日鐵血團”的成員王鐵民。
1938年夏，袁殊親自領導策劃行動小組幹了一件大快人心的事。在虹口本田紗廠後院有一個日本海軍軍火倉庫，袁殊派人偵察後，發現隻有一個當夥夫的外鄉人可以自由出入。於是他派王鐵民化裝成黃包車夫，以幫助買菜為名出麵與那個夥夫搭訕，一來二去混熟了。一天，袁殊將事先準備好的定時炸彈交給王鐵民，王鐵民將炸彈藏在送給夥夫的菜筐內，由夥夫帶進庫房，並約夥夫“晚上務必出來去相親”。待到深夜，一聲巨響把日海軍倉庫引爆，衝天大火劃破夜空。袁殊將夥夫接上事先準備好的吉普車，迅速離開現場。這次行動狠狠打擊了日本侵略者的囂張氣焰，上海人民無不拍手稱快。
第二天，日本駐滬領事館的岩井英一約見袁殊，通報了海軍軍火倉庫被炸一事，說日本方麵對此事非常惱火，勒令限期破案，他要求袁殊盡快從上海中統或軍統方麵打探此次行動是誰幹的。袁殊表麵答應去辦，心裏卻樂開了花。
1938年年末，“抗日秘密行動小組”又組織了伏擊漢奸、偽江蘇省省長陳則民和偽大民會會長馮心如的秘密行動。漢奸陳則民，1880年生，曾經留學日本法政大學，並娶了日本女子為妻。日本鬼子侵略中國後，他成了漢奸，先出任蘇州維持會會長，後又任汪偽政權的江蘇省省長。盡管當時沒有殺死漢奸陳則民，但在日寇氣焰如此囂張之時，也極大地鼓舞了全國人民抗日的鬥誌。
袁殊除肩負隱蔽戰線特殊任務外，還以各種化名從事文化、新聞戰線的抗日救亡工作。國共兩黨合作抗戰的時期，雙方創辦了一張文化界抗日統戰性質的《救亡日報》。這張四開一張的報紙是在周恩來指示之下，由潘漢年出麵與國民黨負責文化工作的潘公展商談，各出資500元開辦的。我方由郭沫若擔任社長，夏衍任總編輯。
《救亡日報》創辦伊始，在政策思想方麵國共雙方就存在著矛盾和鬥爭。郭沫若親自采訪和撰寫的評論文章堅持團結抗戰的大方向，國民黨方麵的周寒梅卻千方百計要改動內容，在印刷發行上百般刁難。無奈之下，夏衍遂請袁殊出麵斡旋。袁殊運用他的特殊社會關係，從中進行調和，他以“不要過分為難”等理由勸阻了周寒梅。幾經交涉，使郭沫若的文章得以全文刊登。為表謝意，郭沫若手書詩一首贈袁殊：
猛論如虎貪擊狠，狂寇而今已碰牆。
十萬健兒爭死國，拚將碧血染疆場。
再次被捕 臥底日偽
1939年5月戴笠電召袁殊到香港，嘉獎“行動小組”抗日有功。在軍統骨幹會議上訓話時，戴笠從腰間掏出一把加拿大造的手槍往桌上一拍：“你們每個人可以帶回兩把這種新式手槍，可以用它殺敵。”話鋒一轉，他又望著袁殊說：“誰要是對團體不忠，也可以用這個來對付他！”
會後，戴笠單獨召見袁殊給予獎勵，同時又布置了他暗殺汪偽特工總部頭子李士群的任務。李士群投靠日本人後，殺了不少軍統的人，戴笠對其恨之入骨，決心除掉他。
在香港，袁殊獲悉和他中斷聯係已有近一年時間的潘漢年正在香港活動，他便設法找到了潘漢年。袁殊與潘漢年單獨見麵後，將自己這段時間在上海的情況向潘漢年做了彙報。潘漢年告訴他，自己不久也將去上海。
回上海後，袁殊開始著手策劃爆炸汪偽76號特工總部事宜。經過仔細策劃，袁殊終於製定了殺李的計劃要點，即組織人力秘密挖掘通往李士群辦公室的地道，然後用炸藥引爆，致李於死命。袁殊的這個計劃很快就得到了軍統上海區區長王天木的批準。他親自畫了地形圖，派人從76號後麵的菜地挖地道。誰知這一計劃尚未來得及實施，王天木和另一位軍統頭目陳恭澎便已被李士群的“特工總部”捕獲，並且供出了這個計劃。暗中投靠李士群的王天木，時任軍統上海區區長，他將袁殊出賣，袁殊又一次被捕。
出賣袁殊的王天木，原名王仁鏘，東北人。他早年畢業於東北講武學堂，後留學日本。參加特務組織後化名鄭士鬆，原是戴笠手下的得力幹將，被稱為軍統“四大金剛”之一。據說他和戴笠長得非常像，戴笠因此準備在必要時讓他做自己的替身。1939年夏，王天木被76號特務頭子李士群綁架，關了三個星期後，毫發無損地出來了。都知道76號是魔窟，一般人進去不死也要脫層皮，但是王天木沒見受傷，便被軍統懷疑。不久他差點被軍統同僚殺死，有人告訴他這是戴老板的意思。王天木對此非常氣憤，大罵戴笠無情無義。加上李士群的拉攏利誘，隨後他投降日本人，加入汪偽特務組織，最初是擔任76號的高級顧問。王天木的叛逃，使軍統在敵後各大城市的情報網遭到覆滅。