1935年初，袁殊两次来到约定地点与中/共上线联络，却二次不见王子春。“断线”对于特工人员来说意味着“灭顶之灾”，情急之下，袁殊不得不联系夏衍，请其为他转一封信给中/共特工科。夏衍原先并不同意转信，因为作为当时中/共驻沪的核心檔员，他已知袁殊被剔除身份一事，之后勉为其难地将袁殊的亲笔信交给特工科负责人蔡叔厚。蔡叔厚当时正由中/共特工科负责人转调入第三共产国际特工组织任职，他便顺手将袁殊的亲笔信带入了新组织，再次为袁殊安排了新的上线接头人。袁殊在不明就里的情况下成为了第三共产国际的特工人员。
同年，爆发“怪西人案”。军统特工抓获中/共檔员关兆南，再顺藤摸瓜抓获第三共产国际的陆海防及其白人上司华尔敦。陆海防供出其下线人员，袁殊及上海当时著名影星王莹被捕。
袁晓岚得知儿子被捕，病重之时仍去向陈立夫求情。碍于陈立夫的面子，戴笠对袁殊未予深究。判刑后发还原籍湖北省反省院服刑，袁殊在狱中的日子竟比狱外还要逍遥舒适。其间，袁晓岚病逝，作为长子的袁殊还特意回家扶灵，过后再回到狱中服刑。
在狱中，军统亦对袁殊伸出橄榄枝。袁殊否认与陆海防及白人华尔敦有过联系，但承认自己为中/共服务，亦希望蒋先生（蒋介石）正视抗日事实，能以民族大业为重。以上诸言，袁殊亲笔立下字据。
中统情报部门与日本驻沪领事馆均为营救袁殊出了大力，同年，以“文化罪”被判刑二年的袁殊提前释放。
出狱后，军统交待袁殊即刻前去与陈立夫会面，袁殊拒绝，直奔上海。而此时，上海中/共再无一人与其联络。1935年年底，袁殊通过檔外人士通络到冯雪峰。冯雪峰劝其先去中学任教，休养生息。袁殊决定再次赴日留学。一年后回国。
1937年年初，回国后袁殊重新归入中统阵营。在与冯雪峰取得联络后，以非中/共檔员的特工身份继续向潘汉年提供情报。同年4月，为加强自身保护色，袁殊加入青洪帮，成为与黄金荣、杜月笙同辈的“通”字辈兄弟。同年6月，戴笠亲自上门会见袁殊，将其正式纳入军统名下。至此，袁殊的五重身份“齐全”，时年26岁。
“八一三”抗战期间，袁殊化妆成日本学生，孤身进入日军营地，为中国军队取得大量军事情报。
1937年11月5日，上海沦陷。袁殊被戴笠授以“少将”军衔，留守上海，成立特别行动组，专门惩办汉奸及侵略者。成功捣毁日军在上海虹口的海关仓库，行动组受到军统局嘉奖，袁殊因此被记大功。
1939年初，日本特工头目岩井英一回到上海，再次将袁殊招入麾下。同年6月，袁殊与潘汉年在香港会面，袁殊询问檔籍一事，潘汉年不置可否。同年11月，由袁殊建议成立的“兴亚建国运动”方案正式正式在岩进公馆启动，袁殊利用这一机构掩护中/共驻沪电台，向延安发回大量情报。
1941年3月，袁殊接军统秘令接受日伪“清乡团团长”一职，“清乡团”主要职责是肃清长江三角洲的国、共游击部队，“大汉奸袁殊”正式粉墨登场。在充当“汉奸”的几年中，袁殊利用职权保护中/共檔员，将他们平安送返延安，使镇江成为中/共情报人员转移要道；为潘汉年办理了特别通行证，保证其往来行走安全。同年，派助手叶德铭（潘汉年副手）利用日军直升机将驻港中/共情报人员送返上海。期间，由于当时形势严峻，有几次袁殊对中/共安排的任务不甚尽力，对中/共情报人员避而不见，直接指挥“清乡团”扫荡“中/共江南抗日根据地”等再次引起中/共怀疑。