В конце 1951 года ему предложили сотрудничать с советской разведкой и, получив согласие, рекомендовали предпринять шаги для устройства на работу непосредственно в разведывательную службу Гелена.
Фельфе с блеском выполнил задание советской разведки. Уже в начале 1956 года он получил ранг правительственного советника и был назначен начальником реферата (начальником отдела. — Примеч. авт.), который ведал «контршпионажем против СССР и советских представительств в ФРГ».
В связи с этим назначением оперативные возможности Фельфе существенно расширились. Он принимал участие в составлении еженедельных политических обзоров, которые западногерманская разведка готовила для федерального канцлера, был в курсе планов правительства по перевооружению ФРГ. В период интеграции Западной Германии во вновь создаваемые западноевропейскими странами союзы и блоки Фельфе информировал советскую разведку о реорганизациях в бундесвере и о его намерении получить доступ к ядерному оружию. Он умело добывал информацию по внешней и внутренней политике руководства страны.
От Фельфе систематически поступала информация относительно разработки западногерманскими спецслужбами советских представителей или предстоящего выдворения некоторых из них из страны. Это позволяло вывести из-под удара тех, кому угрожала опасность.
Противник не мог не анализировать причины срыва своих операций. Он активно искал источники утечки информации. Весной 1961 года над разведывательной группой Фельфе стали сгущаться тучи. Центр выступил с предложением о временной консервации источников, однако руководство представительства КГБ в Берлине настаивало на продолжении работы с ними.
6 ноября 1961 года Фельфе был арестован, а в 1963 году приговорен к 15 годам лишения свободы—самому суровому наказанию в практике западногерманского правосудия, которое получал в ФРГ чей-либо агент.
В ходе длительных переговоров, к которым были подключены представители руководства четырех государств (СССР и ГДР с одной стороны и ФРГ и США — с другой), советской разведке удалось добиться согласия на обмен Хайнца Фельфе.
Зимней ночью 17 февраля 1969 года в районе КПП Херлесхаузен на государственной границе между двумя Германиями произошло событие, которое не освещалось в печати того времени: состоялся обмен суперагента советской разведки Хайнца Фельфе сразу на 21 агента ФРГ и США. Для их доставки к месту обмена спецслужбам ГДР потребовался большой автобус. Среди них 18 человек являлись агентами западногерманской разведки, отбывавшими наказания в тюрьмах ГДР, а трое других западных немцев были пойманы с поличным в СССР и осуждены за шпионаж в пользу США. Руководство советской внешней разведки еще раз доказало, что не бросает в беде друзей.