Тем не менее, его не расстреляли. В тюрьме Семенов просидел до апреля 1919 года. В его «истории отсидки» были все традиционные способы воздействия заключенного на тюремщиков, включая недельные голодовки. На все предложения сотрудников ВЧК, пытавшихся склонить к сотрудничеству упрямого эсера, следовал категорический отказ. Тем труднее объяснить то, что было потом. После объявленной 27 февраля 1919 года амнистии тем, кто даст письменное обязательство отказаться от продолжения борьбы, к Семёнову в тюрьму приехал старый знакомый Авель Енукидзе, чтобы взять «раскаявшегося товарища» на поруки. Трудно сказать, какие аргументы в пользу «замирения» с большевиками он приводил, но руководителя эсеровской боевой организации выпустили на волю, с полным освобождением от суда и прекращением дела Верховным трибуналом, и даже без письменного обязательства.
Примерно в это время Семенов становится сотрудником советских спецслужб. Согласно данным современного исследователя С. В. Журавлева, он начинает негласно работать с Региструпром Полевого штаба РВСР, т.е. с военной разведкой. Правда, в справке ГРУ Генштаба Министерства обороны СССР от 1957 г ., на которую ссылается Журавлев, утверждается, что Семенов в 1919-1921 гг. в основном работал по линии ВЧК. Сам Григорий Иванович писал в анкетах, что с самого начала служил в военной разведке, хотя задания могли исходить и из другого ведомства. И в протоколе партийного собрания Разведупра от 19 июля 1937, где его исключали из партии как «врага народа», отмечена его служба в Красной Армии с 1919 года. Полагаю, что составителям этого документа не было никакой нужды преувеличивать стаж военной службы арестованного органами НКВД разведчика.
Как бы то ни было, факт начала сотрудничества Григория Семенова с большевиками очевиден. Однако для эсеров он продолжал оставаться «своим» — амнистированным арестантом, членом меньшинства ПСР, преследуемым Советской властью. Новое начальство помогало ему сохранить незапятнанную репутацию в глазах товарищей по партии. Летом и осенью 1919 года он дважды задерживался ВЧК и, в целях сохранения алиби, некоторое время проводил за решёткой. Затем политическая ситуация в очередной раз изменилась. 17 октября 1919 года на заседании Оргбюро ЦК РКП(б) было рассмотрено заявление эсеров группы В. К. Вольского, в которую входил и Семенов о том, что они «предоставляют себя в полное распоряжение правительства для направления всех на фронт». Подчиняясь решению руководства, Семёнов был официально мобилизован в Красную Армию и отправлен на Южный фронт. В июле 1920 года его откомандировали в распоряжение члена Реввоенсовета Западного фронта Ивара Тенисовича Смилги, будущего известного троцкиста, который отправил его к Алексею Антоновичу Мазалову, начальнику отдела военной разведки штаба фронта и уполномоченному РВС по ведению секретной работы (в 1922-м он был экспертом на процессе эсеров, далее работал в Разведупре, был военным атташе в Эстонии, арестован и расстрелян в 1937 году в звании полковника).
Мазалов поставил перед Семеновым задачу: внедриться в савинковский «Народный союз защиты родины и свободы». Для него, известного эсера, это было не так уж трудно. Борис Викторович и Григорий Иванович были знакомы, повидимому, ещё с парижских времен, а уж по работе в армии в 1917 году сталкивались наверняка, да и секретарь Савинкова Смолдовский знал Семенова по эмиграции. Поскольку членство в том крыле партии эсеров, которое сотрудничало с большевиками, могло помешать секретной деятельности, в конце 1920 года Семёнов инсценировал открытый конфликт со своей группой, после чего был исключён из партии.
Как пишет С. В. Журавлев, «в этот период Семёнов использовался командованием РККА на закордонной работе, в военных кругах белой эмиграции, строившей планы вооружённого свержения большевистской власти. Для советской разведки он оказался уникальным приобретением. Используя репутацию непримиримого врага большевиков и старые связи в среде эсеров и анархистов, Семёнов добывал ценнейшую информацию. Ему принадлежит заслуга в пресечении активной деятельности „Русского политического комитета“ и лично Бориса Савинкова, с которым Жорж был знаком с дореволюционных времён. В одном из донесений Семёнов сообщал: «Ввиду сложившихся у меня отношений с Савинковым, придавая некоторую важность его организации, я счёл необходимым ознакомиться с положением дел в ней. (Далее излагались подробности их личной встречи в Варшаве.)
Авторитет у командира Центрального боевого отряда, организовавшего столь удачные акции против верхушки РКП(б), был огромен. Воодушевившись обрисованными им возможностями, Савинков поручил Семёнову подготовку терактов против советских лидеров и даже выделил на эти цели крупную сумму, дал ему явку в Гельсингфорсе и познакомил с начальником 2-го отдела польского генштаба полковником Матушевичем. Семенов и его жена и коллега по разведработе Наталья Богданова, отправившаяся с ним на это задание, получили разрешение работать в варшавской пиротехнической школе, где занимались взрывными науками. Задача перед ними была поставлена чрезвычайно серьезная — ни много, ни мало, покушение на «нашу двойку», как писал в те годы Демьян Бедный, — Ленина и Троцкого. Этот теракт должен был парализовать деятельность правительства в момент всеобщего восстания, которое намечалось на 28 августа 1921 года. В этот день савинковские партизанские отряды под командованием Эльвенгрена, Эрдмана-Бирзе, Павловского, Данилова из Польши, Латвии и Эстонии должны были начать наступление, в ходе которого планировалось занять Псков, Полоцк, Витебск, Смоленск, а затем Петроград и Москву, где, как и в Одессе, должны были состояться эсеровские восстания. Обо всех этих грандиозных планах посвященный в них Семенов сообщал в Москву. Ознакомившись с его донесением, Дзержинский счёл его настолько важным, что передал Ленину с просьбой: «т. Ленину. После прочтения прошу мне вернуть. Дзержинский». Другим адресатом экземпляра донесения с такой же припиской стал Троцкий. Таким образом, главный организатор покушения на жизнь Ленина теперь защищал вождя революции.
Троцкий в справке для Верховного ревтрибунала 1 июля 1922 года так оценил работу Семенова: «1)Реввоенсовет Республики через соответственные свои органы счел возможным дать в свое время т. Семенову столь ответственное и рискованное задание только потому, что на основании всех тщательно собранных сведений пришел к выводу, что т. Семенов искренно порвал со своим антисоветским прошлым и в интересах обороны рабоче-крестьянской республики готов принять всякое, в том числе и самое трудное, ответственное и рискованное поручение. 2) Работа т. Семенова в Польше вполне отвечала заданию и свидетельствовала о личной добросовестности и преданности т. Семенова делу обороны республики. 3) Работа, выполнявшаяся Семеновым, имела военно-конспиративный характер, требовала величайшей осторожности и находчивости и, разумеется, основывалась на введении в заблуждение врагов Советской России, в том числе и Савинкова, как одного из наиболее бесчестных и продажных агентов иностранного империализма. Отсюда совершенно ясно, что завязывание т. Семеновым контакта с Савинковым вполне вытекало из существа данного ему поручения и представляло собой военную хитрость, продиктованную интересами обороны революции (Янсен М. Суд без суда. 1922 год. Показательный процесс социалистов-революционеров. М., 1993. С.209-210.).
А Семенов, успешно выполнив задание, в конце того же года, через «Данцигский коридор» прибыл в Германию, а оттуда с помощью советской миссии — в Москву.
В январе 1921 года Григорий Семёнов, продолжавший работать по линии военной разведки, в секретном порядке без прохождения кандидатского стажа был принят в РКП(б) специальным решением Оргбюро ЦК. Это означало официальное прощение прошлого, в том числе участие в подготовке убийства Володарского и покушения на Ленина. Рекомендацию в партию ему дали старые знакомые: секретарь ВЦИК А. С. Енукидзе, секретарь ЦК РКП(б) Н. Н. Крестинский и начальник Политического управления РВС Л. П. Серебряков. Одновременно его официально зачислили в штат Разведупра РККА. Семёнов стал готовиться к выполнению нового задания партии — нанесению решающего удара по недобитым эсерам. Он сел писать книгу «Военная и боевая работа Партии социалистов-революционеров в 1917-18 гг».