Совет народных комиссаров направляет на Север специальную комиссию под руководством М. С. Кедрова. В ее составе в качестве секретаря работает и Артузов. Сотрудники комиссии Кедрова устанавливали советскую власть на Севере России. Артузов принимал участие в боях с английскими интервентами под Архангельском. Ему была поручена эвакуация стратегических грузов из Архангельского порта. В короткий срок оттуда было вывезено свыше 40 миллионов пудов угля и большое количество боеприпасов.
К осени 1918 года функции комиссии Кедрова были исчерпаны. Артузов переезжает в Москву и по рекомендации Кедрова поступает на службу в ВЧК. Работает особоуполномоченным и следователем ВЧК, выполняет ответственные задания Дзержинского и Менжинского на Западном и Юго-Западном фронтах, принимает непосредственное участие в операциях по ликвидации крупных контрреволюционных организаций.
В начале 1920 года Артузов становится начальником Особого отдела ВЧК. Поскольку весной того же года панская Польша при поддержке Антанты начала войну против Советской России, Артузов трижды выезжал на фронт с мандатом ВЧК для согласования деятельности Особых отделов фронтов и армий.
В мае 1922 года из Особого отдела был выделен контрразведывательный отдел (КРО), возглавить который поручили Артузову. На этом посту он принимал непосредственное участие в проведении многих чекистских операций, в частности в ликвидации заговора монархистов-николаевцев, знаменитой операции «Синдикат-2» по выводу в СССР и аресту известного террориста Бориса Савинкова, в операции «Трест», завершившейся арестом международного шпиона и заговорщика, британского разведчика Сиднея Рейли, и многих других. Эти операции стали классическим примером совместной работы разведки и контрразведки и вошли в учебники многих спецслужб мира.
Летом 1930 года внешняя разведка органов государственной безопасности — ИНО ОГПУ — начала разработанную под руководством Артузова операцию под кодовым названием «Тарантелла». Ее целью являлось продвижение через подставную агентуру ОГПУ направленной информации в британские руководящие круги и штаб-квартиру СИС. По своей значимости «Тарантелла» смело может быть поставлена в один ряд с операциями «Трест» и «Синдикат». О наиболее существенных специальных мероприятиях «Тарантеллы» докладывалось непосредственно Сталину.
1 августа 1931 года Артур Артузов был назначен начальником внешней разведки и введен в состав коллегии ОГПУ. Одновременно он являлся кандидатом в члены ЦК партии.
В то время одним из главных зарубежных центров советской внешней разведки являлся Берлин, откуда разведывательная работа велась не только по Германии, но и по соседним странам и даже США.
«Легальным» резидентом ОГПУ в Берлине с 1931 года был видный разведчик Борис Берман, который руководил агентурной сетью непосредственно в Германии. Одновременно там находилась региональная резидентура, возглавляемая заместителем Артузова Абрамом Слуцким, который в 1936 году сменил его на посту начальника внешней разведки. Эта резидентура из Берлина руководила действиями резидентур в пятнадцати странах.
От надежных источников, имевших доступ к секретным документам МИДа Германии, других министерств и ведомств, люфтваффе, руководства национал-социалистической партии, полицай-президиума, гестапо, поступала ценнейшая информация о планах и намерениях гитлеровцев в отношении нашей страны и Европы в целом.
Выдающихся результатов в этот же период добилась действовавшая с позиций Франции нелегальная резидентура, которую возглавлял Борис Базаров. Под его руководством разведчик-нелегал Дмитрий Быстролётов, специализировавшийся на добывании шифров европейских стран, сумел завербовать сотрудника британского Форин Оффис «Арно», от которого поступали ценнейшие документальные материалы.
В 1933 году по инициативе Артузова была воссоздана нелегальная резидентура в Англии, руководимая знаменитым разведчиком-нелегалом Арнольдом Дейчем, лично завербовавшим свыше двадцати агентов. Этой резидентурой была приобретена знаменитая «Кембриджская пятерка».
В мае 1934 года, когда угроза гитлеровской агрессии стала реальностью и не исключалось создание блока западных стран на антисоветской основе, Политбюро рассмотрело вопрос о координации деятельности военной и политической разведок. Начальник ИНО ОГПУ Артузов был назначен по совместительству заместителем начальника Разведывательного управления РККА. 21 мая 1935 года он был освобожден от обязанностей начальника ИНО НКВД и полностью сосредоточился на работе в военной разведке, которую тогда возглавлял Ян Берзин.