К разведывательной работе Быстролетов был привлечен резидентурой ОГПУ в 1924 году. Он провел немало ценных вербовок. В 1927 году завербовал секретаршу (агент «Ларош»), которая имела доступ к переписке и шифрам французского МИДа. Блестяще выполнил задание, которое казалось невыполнимым – найти торговца шифрами итальянского МИДа, которого условно назвали Росси. О нем не было практически ничего известно, но Быстролётов его все-таки нашел и сумел завербовать. Участвовал совместно с Дейчем в разработке сотрудника Форин-Офиса Эрнеста Х. Олдхема (агент «Арно»), от которого были получены английские шифры, коды и секретные документы.
С 1930 года Д. А. Быстролетов состоял в штате ИНО, как разведчик-нелегал (псевдоним «Андрей»). Он стал мастером перевоплощения – венгерский граф, английский лорд, бразильский бизнесмен, американский гангстер… Исколесил полмира. Провел немало успешных операций в государствах Европы, Азии, Африки, Северной и Южной Америки.
Возвратившись в СССР в 1936 году, Быстролетов работал в центральном аппарате внешней разведки. 17 сентября 1938 года он был арестован. Обвинялся в шпионаже и контрреволюционных связях с расстрелянными к тому времени советскими разведчиками.
8 мая 1939 года Военная коллегия приговорила Быстролётова по ст. 58 пункты 6, 7, 8 УК РСФСР к 20 годам лагерей. Из них он отбыл в местах лишения свободы 16.
Известно, что в начале 1948 года Министр госбезопасности СССР В. С. Абакумов цинично заявил доставленному к нему заключенному Быстролетову: «Может, хватит уже отдыхать. Пора и за работу». Он предложил ему амнистию и возвращение на службу в разведку. Быстролетов от амнистии отказался, потребовал повторного суда и реабилитации.
Вот как сам Д. Быстролетов описал этот эпизод в мемуарах «Пир обреченных»:
«Меня вызвали к начальнику следственного отдела генерал-майору Леонову как раз тогда, когда в кабинете находился министр государственной безопасности Абакумов. Мне предложили амнистию, очевидно, в целях дальнейшего использования. Я наотрез отказался и потребовал переследствия, пересуда и полного восстановления в правах, а придя в камеру, попросил листок бумаги и написал Абакумову то же самое, дерзко добавив, что такая история, какая произошла со мной, не мыслима ни в одной культурной стране».
Абакумова такая реакция «зека» взбесила: «Этот человек уже через неделю мог гулять по Парижу, но предпочел тюрьму». Быстролетова действительно поместили в тюремную камеру – до 1951 года он содержался в одиночной камере Сухановской особо-режимной тюрьмы.