杜衡曾在紅軍的二十六軍當過政委，又擔過中共的省委書記，對共產黨的情況非常了解。當時共產黨比國民黨力量小很多，各方麵的條件就相差得更遠了。杜衡本人就是個貪圖享受又貪生怕死之徒，他抓住共產黨條件差、生活艱苦這些情況，以高官厚祿對李茂堂加以誘降。
李茂堂從事過黨的地下工作，意識到這是打入敵人內部的機會。但如此重大的事情，心須經過黨組織同意才行。於是，他通過可靠關係把自己的想法告訴了黨組織。情況報到中共上海臨時中央局，當時代管臨時中央局、中央特科的王世英讓人給李茂堂捎話，同意他打入敵人內部，要他單線聯係，長期潛伏，“越貌似反動越好”。李茂堂表示聽從組織的決定。既然此時國民黨高官厚祿拉他下水，李茂堂就順水推舟，搖身一變“上了賊船”，借此機會打入國民黨中統特務機關。
當時的中共特科負責人王世英，是黨和軍隊軍運和情報工作的卓越領導人之一。王世英，1905年生於山西洪洞。早年就讀於太原國民師範學校，因參加學生愛國運動被開除，後入開封國民革命軍第二軍學兵營。1925年2月加入中國共產黨，同年8月赴廣州入黃埔陸軍軍官學校第四期，10月參加第二次東征戰役。1926年11月畢業後，任省港罷工委員會工人糾察隊分隊長、國民革命軍第二軍教導師一團黨代表辦公室主任，參加北伐戰爭。大革命失敗後，被黨組織派到河南國民黨十九軍從事兵運工作。1931年10月去上海，後被黨中央派到南京，以特派員身份開展秘密工作，在國民黨中央機關內部發展黨員，並獲得大量重要情報。1933年2月調回上海，任中共上海中央執行局軍委委員，負責情報部。1934年後任中共上海臨時中央局軍委代理書記，主持黨在國民黨統治區的軍事、情報和聯絡工作，在白色恐怖條件下堅持秘密鬥爭，建立保存了一些重要的內線關係。
打入中統的李茂堂，成為他在敵人內部布下的一個“棋子”。
孤身救蔣 誤解層層
打入中統不久，李茂堂和王超北這兩個大革命期間入黨的老黨員、老相識，因為一件不大也不小的事，兩個人結下了一段“仇怨”。
當時任陝西省委委員的李茂堂僥幸躲過了國民黨的大搜捕，卻天真想用自己去換取其他被捕同事的自由，結果上了敵人的當，被捕後還被敵人逼著去揭發自己的同誌。為了在敵人內部潛伏下來，李茂堂隻有想方設法去應付敵人。他想到了王世英曾跟他說過“王超北失去了組織關係”，就想用王超北去搪塞敵人，於是他謊稱認識一名重要的共黨分子王超北，帶著特務去上海抓王超北。
李茂堂與王超北失去聯係很久了，他認為帶人去上海抓王超北，根本不可能抓到。他的出發點是應付敵人，自己也好交個差。事有湊巧，結果他們在上海真還的找到了王超北。人是找到了，不料蒙在鼓裏的王超北還向李茂堂打聽如何尋找王世英以便接上組織關係。李茂堂一聽，急了！這樣不但違背了李茂堂想蒙混過關的初衷，還有可能暴露王世英。情急之下，他向特務說王超北背後還有中共重要領導，要放長線釣大魚。為了王超北的安全，他同時又設計讓王超北撤離了上海。因為放走了王超北，李茂堂還被國民黨中統打入大牢，後來費了很大的勁才重獲敵人的信任。王超北逃出後重新接上組織關係，而李茂堂卻留在中統，兩人分道揚鑣。
李茂堂打入國民黨中統後，牢記黨組織賦予自己的重任，在國民黨特務機關深入潛伏，一步步往高職位上努力。
職務在變化，但李茂堂的信仰從來沒有改變。他在1936年曾托人帶話給黨組織：我生是黨的人，死是黨的鬼，我要在敵人的肚子裏搞垮他們！這番話顯示了李茂堂在敵方陣營中革命到底的決心。
隨著日本帝國主義侵華步驟的加劇，全國人民要求抗日的呼聲一浪高過一浪。1936年12月12日，張學良、楊虎城聯手在西安發動兵諫，解除中央軍武裝，活捉蔣介石，逮捕陝西省主席邵力子，囚禁蔣鼎文、朱紹良、陳誠、衛立煌等南京大員，同時通電全國，提出抗日救國八項主張，並盛邀中共中央派代表團赴西安共商大計，這就是震驚中外的“西安事變”。
“西安事變”爆發後，南京方麵亂成一團。宋美齡、宋子文等人力主和談，以保蔣介石一命；何應欽等人力主討伐，目的是想借機置蔣介石於死地。國民黨特務係統緊急部署，一心要保蔣而除張、楊。“中統”內部也有眾多營救方案出台，其中以李茂堂的提議最大膽，也最搶眼，甚得徐恩曾讚譽。
當時國民黨中統、軍統都要救蔣介石。到底怎麼救？誰去救？老是定不下來。出主意的人很多，表麵上看一個比一個足智多謀，但就是沒有一個敢上前去幹實事的。李茂堂見狀就主動請纓，鋌而走險。他說他熟悉西安，熟悉周圍地形，朋友也多，父老鄉親也多，他要一個人飛過去救蔣委員長。對這個孤膽英雄，徐恩曾特別欣賞，馬上拍板派飛機，李茂堂坐上飛機就直飛西安了。
那是一個天低雲暗、伸手不見五指的夜晚。一架飛機轟鳴著衝出跑道，鑽入黑漆漆的空中，一直向西飛去。李茂堂天生膽大，空投跳傘，落在西安郊外。當時西安城內兵荒馬亂，晝夜戒嚴。李茂堂落地後，隱身親戚家中。親戚知道他來西安的目的後，不讓李茂堂出門，告訴他說：“你不能出去，人家知道有人跳傘過來了，到處找呢！”李茂堂說：“不出去怎麼救人？”他簡單化裝一下就進城去了。
當時西安城內早已戒嚴，局勢高度緊張。張學良的東北軍、楊虎城的西北軍，對外來西安的人防範得特別嚴。李茂堂在城門口就被東北軍看出破綻，當場抓了。東北軍發現李茂堂是“中統”派來的特工，再三逼迫他如實交代南京方麵的動向。李茂堂橫眉冷對，咬緊牙關，無論他們如何大刑伺候，就是裝聾作啞，一聲不吭。
李茂堂的頑固激怒了張學良。張學良大筆一揮，下令把他拖出去斃了。幸好周恩來、博古等中共代表及時趕到西安，大力促成“西安事變”的和平解決，李茂堂在死囚牢裏苦捱了半個多月，最終死裏逃生。
李茂堂在“西安事變”中孤身救蔣，被楊虎城部隊抓獲後寧死不招，在國民黨特務中成了英雄。隨著“西安事變”的和平解決，他隨蔣介石一起返回了南京。回到南京後，被中統頭子徐恩曾讚為“對黨國忠誠可嘉”。不僅徐恩曾另眼相待，就連蔣介石都以最高禮遇迎接他。徐恩曾臉上有光，給他向上報功，使李茂堂連升兩級，被提升為中統特訓班總教官。李茂堂就此脫穎而出，飛黃騰達，成為“中統”新星。
1937年7月7日，侵華日軍對我北平西南宛平附近盧溝橋守軍發起攻擊，我軍奮起抵抗，抗戰全麵爆發。中華民族到了最危險時候，李茂堂受命緝查通日資敵漢奸，他在常州查實某國民黨要人的兄弟私運汽油、水銀往敵占區。
抗日戰爭期間，民族危機促使蔣介石不得不在反共方麵有所收斂。在中國共產黨的努力下，國共合作抗日的局麵形成，國共兩黨在隱蔽戰線的鬥爭暫時被淡化。李茂堂隨後工作幾經變動，先後擔任國民黨南京電報檢查處檢查員，長沙、常德郵電檢查所所長等。
同年12月13日，日軍穀壽夫第六師團由光華門、雨花門入城，南京淪陷，國民政府撤到武漢。李茂堂又在武漢抓到了一名南京日軍方麵派去的間諜。此人是心狠手辣，身懷絕技。經審訊得知，他是刺殺韓國獨立黨主席金九的日本凶手，此次來中國的任務就是刺探軍情，伺機刺殺蔣介石及其左右。聽說是衝著自己來的殺手，蔣介石事後知道後還驚歎不已。