1945年8月，中统高官李茂堂，奉胡宗南之命，化名“张怀中”前往延安，借工作之名刺探中共情报。令胡宗南万万没想到的是李茂堂抵达延安后，受到中央社会部的热情接待，李克农紧紧握着李茂堂的手，欢迎他归队回家。在十余年的暗战生涯中，他为我党提供的大量机密情报，近万名国民党特务名单，一手稳固了我党在大西北地区的隐蔽战线。
为救战友“深入狼穴”，将计就计“出卖”同志“叛变”。
1935年9月，在西安秘密召开的陕西省常委扩大会议，因叛徒告密，参加会议的人员全部被捕入狱，而李茂堂因为迟到而逃过一劫。随后特务放出话：只要李茂堂主动报到，其余所有人都可以重获自由。天真的李茂堂轻信的敌人的谎言，只身踏入了敌人的巢穴。结果可想而知，其他人不但没有被释放，李茂堂也被抓了起来。
真叛变还是假投靠李茂堂的考验来了：中统点名让李茂堂去抓王超北。李茂堂领着国民党特务在上海四处乱转，找机会和王超北取得联系，将敌人的计划一一报告，并掩护王超北逃到了天津。特务恼羞成怒，但也毫无办法只得把李茂堂送进了南京反省院，参加国民党特工集训。随后中央特科的王世英坚联系到了李茂堂，并嘱咐他单线联系，长期潜伏，并且“貌似越反动越好”。
为了获取更多情报，西安事变中，他独自一人，黑夜跳伞空降到西安郊外，营救蒋介石。
1936年爆发了西安事变，在国民党内部群龙无首乱成一锅粥的情况下，他大胆提议“空降营救”，因为他对西安的地形十分熟悉，熟人也多，计划自己一人前往西安，并且慷慨陈词：“要为党国献身尽忠！”后来空降西安后被东北军发现并逮捕，随着西安事变和平解决，1936年12月底，李茂堂返回南京，虽说没能成功营救蒋介石，但李茂堂这种舍身入虎穴的行为，受到了蒋介石极高的赞赏。
在武汉，他亲手活捉日本顶级杀手，第二次救了蒋介石的性命。
1938年，抗日战争正在如火如荼地进行中，期间大量日本间谍潜入我国，窃取情报伺机刺杀国共两党的高层人士。南京沦陷之后，国民党政府暂时搬迁武汉，李茂堂奉命肃清武汉城内的日本间谍。在搜捕过程中，李茂堂亲手活捉一名日本间谍，经过审问之后发现，此人曾经负责刺杀韩国独立党主席金九，是一名顶级杀手，来到武汉正是为了刺杀蒋介石。李茂堂先后两次勇救蒋介石，让蒋介石对其青睐有加。
1945年李茂堂“光明正大”地来到延安向中央汇报工作，并郑重提出重新入党的要求。在毛主席的关照下，中央肯定了李茂堂所做的地下工作，重新履行了入党手续。李茂堂也成为毛主席亲自批准的第一个中共“特别党员”。
一次次“重大立功”让他在国民党内拥有了越来越多的信任以及稳固的根基，他的潜伏工作一直持续到新中国成立。因为“角色太入戏”造成了自己儿子深深的误会，后来贺龙当面评价李茂堂：“你父亲是一个老共产党员，在西安做地下工作，给我们搞了许多情报，为我们解放大西北做出很大贡献，”才认识了自己错怪了父亲。
