В 1937 году Мелита вышла замуж за учителя математики Хилари Норвуд, который также был коммунистом. И в этом же году произошло событие, перевернувшее ее жизнь: по рекомендации одного из основателей компартии Великобритании с ней встретился сотрудник Разведупра — советской военной разведки. Встреча эта закончилась тем, что Норвуд стала агентом советских спецслужб. Причем работала она исключительно по идейным соображениям, категорически отказываясь от любого материального вознаграждения, хотя в это время вместе с мужем переехала в собственный дом в южном пригороде Лондона Бекслихесе, содержание которого требовало определенных средств.
Первоначально Норвуд не входила в число основных агентов, хотя была личным секретарем директора БАИЦМ. Но когда в сентябре 1941 года в Англии начались работы по созданию атомной бомбы (так называемый проект «Тьюб эллойз»), ее ценность для советской разведки значительно возросла. Дело в том, что ассоциация проводила в рамках программы «Тьюб эллойз» исследования свойств цветных металлов, в частности урана. При этом большая часть документов, касающихся атомного проекта, проходили через руки начальника Норвуд. В результате она могла передавать своему оператору (вероятно, это была Урсула Кучински («Соня»), нелегальный резидент ГРУ в Англии с мая 1941 года) большое число секретных документов, относящихся к программе «Тьюб эллойз».
Информацию об английском ядерном проекте Норвуд продолжала передавать и после войны. Это было особенно важно в связи с тем, что из-за предательства шифровальщика канадской резидентуры ГРУ И. Гузенко английской контрразведкой МИ-5 были арестованы А. Мей (в марте 1946 года) и К. Фукс (в январе 1950 года). В это же время между ГРУ и внешней разведкой МГБ развернулось соперничество за контроль над Норвуд. При поддержке Л. Берия победило МГБ, после чего оператором «Холы» (псевдоним Норвуд) стал сотрудник лондонской резидентуры ПГУ МГБ Николай Павлович Островский. Когда же в мае 1947 года ГРУ и ПГУ МГБ были объединены в Комитет информации (КИ), военная разведка вернула себе контроль над Норвуд и ее операторами стали сотрудники ГРУ Галина Константиновна Турсевич и Евгений Александрович Олейник.
Однако в апреле 1950 года, после осуждения К. Фукса и расследования MИ-5 по делу успевшей уехать в ГДР «Сони», оператора Фукса и Норвуд во время войны, «Хола» в целях ее безопасности была временно законсервирована. Контакт с ней был возобновлен только в ноябре 1951 года, после расформирования КИ. Тогда же Норвуд вновь была передана на связь легальной лондонской резидентуре ПГУ МГБ.