Однако его публикации были замечены, и в сентябре 1937 г. он вновь выехал в Испанию в качестве специального корреспондента газеты «Тайме» при франкистском правительстве. Новое назначение журналиста заинтересовало британскую разведку МИ–6, доверенным лицом которой он и стал. Руководителем Филби в Испании был его бывший наставник, главный резидент НКВД в Испании и советник по безопасности республиканского правительства А. М. Орлов.
В 1939 г. Филби возвратился в Лондон, а летом 1940 г. получил приглашение работать в разведке.
С 1939 г. К. Филби под руководством лондонской резидентуры возглавлял самостоятельную нелегальную разведгруппу, состоящую из его друзей по университету — Г. Берджеса, Д. Маклина, Э. Бланта, Дж. Кернкросса, вошедшую в историю как «Кембриджская», или «Великолепная пятерка».
В 1940 г. по рекомендации Г. Берджеса поступил на работу в СИС, где с 1941 г. являлся заместителем начальника секции «В» (внешняя контрразведка) и отвечал за контрразведывательное обеспечение всех военных операций союзников в Европе. Руководил испанской секцией отдела (Испания, Португалия, Северная Африка, также Италия).
В 1944-м Филби стал начальником секции-IX, занимавшейся изучением «советской и коммунистической деятельности». Одно время исполнял обязанности заместителя начальника СИС.
За время Второй мировой войны К. Филби передал в Центр значительное количество ценной информации о Вооруженных силах и военных планах Германии, а также об отношении союзников к СССР. В частности, с помощью данных, полученных от «Зёнхена» и его товарищей, советская разведка выявила попытки немцев вести сепаратные переговоры с западными союзниками. В мае 1941 г. сообщил в Центр о встрече бежавшего в Англию Р. Гесса с лордом Гамильтоном «с целью установить сепаратный мир», информировал советскую разведку о подобных контактах, имевших место в Анкаре в 1942 г., в Стамбуле и Ватикане в 1943 г., в Швейцарии в 1944–1945 гг.
С 1947 г. — руководитель базы СИС в Турции. С 1949 г. возглавлял миссию связи СИС при ЦРУ в Вашингтоне. Координировал деятельность англо-американских спецслужб.
В 1951 г. предупредил о провале своих товарищей по группе Д. Маклина и Г. Берджеса и содействовал их побегу в СССР. В связи с этим попал под подозрение британской и американской контрразведок и отозван в Лондон. В ноябре 1952 г. был допрошен МИ–5, однако отпущен за отсутствием улик. С 1955-го в отставке.
С помощью высокопоставленных друзей добился публичной реабилитации и в августе 1956 г. был возвращен на службу и направлен в бейрутскую резидентуру СИС под прикрытием корреспондента журналов «Обсервер» и «Экономист».