На активного студента обратила внимание советская разведка, и в 1925 году он стал сотрудником Иностранного отдела, разведчиком-нелегалом. В период разведывательной работы в Чехословакии провел несколько ценных вербовок.
В середине 1930 года переведен Центром на нелегальную работу в Берлин. Возглавляемая им нелегальная группа разведчиков добыла шифры министерства иностранных дел Англии и ряда других европейских стран, что позволило советской внешней разведке длительное время получать исключительно ценную информацию.
Оперативная работа Быстролетова получила высокую оценку Центра. Приказом ОГПУ он был награжден боевым оружием. А в представлении к награждению разведчика нагрудным знаком «Почетный работник ВЧК — ОГПУ» отмечалось: «Проявил себя как преданный, храбрый, настойчивый и дисциплинированный чекист. Своей исключительной выдержкой и проявленной при этом исключительной настойчивостью провел ряд разработок крупного оперативного значения. Участвуя лично в ряде опасных мероприятий, добился серьезных результатов».
Быстролетов был всесторонне одаренным человеком. Достаточно сказать, что он владел двадцатью (!) иностранными языками, был слушателем Берлинской и Парижской академий художеств, в 1930–1936 годах учился на медицинском факультете Цюрихского университета и получил диплом доктора медицины.
В 1936 году после многолетнего пребывания за рубежом на нелегальной работе приехал в Москву. Работал в центральном аппарате разведки. В 1938 году был необоснованно репрессирован: осужден на 20 лет исправительно-трудовых лагерей, заключение отбывал в северных лагерях.
В 1954 году освобожден из заключения, из лагерей вышел инвалидом. В 1956 году Военная коллегия Верховного суда СССР после повторного рассмотрения его дела вынесла решение: «Приговор от 8 мая 1939 года по вновь открывшимся обстоятельствам отменить и дело прекратить за отсутствием состава преступления».
После реабилитации Быстролетов работал во Всесоюзном НИИ медицинской и медико-технической информации Министерства здравоохранения СССР в качестве научного консультанта. Он сыграл видную роль в деле расширения знаний о достижениях зарубежной медицины.
Дмитрий Быстролетов оставил потомкам богатое литературное наследие: 16 книг и литературный сценарий многосерийного художественного фильма. В 1973 году по его сценарию был снят художественный фильм «Человек в штатском», рассказывающий о работе разведки. В 1974 году журнал «Наш современник» напечатал его повесть «Para bellum» (с латинского — готов к бою). Позже была опубликована литературная трилогия «Пир бессмертных», в которой Быстролетов рассказал о своей жизни и работе.