В результате оперативных мероприятий харбинской резидентуры, разработанных непосредственно оперработником, пять японских разведчиков были выведены на советскую территорию и арестованы органами госбезопасности. Одновременно им была вскрыта и своевременно предотвращена провокация японской жандармерии (так называемое «дело ИНО ОГПУ»). Она заключалась в том, что японцы через завербованного ими белого эмигранта Воронина вербовали советских граждан в учреждениях СССР в Маньчжурии и на КВЖД от имени ОГПУ для освещения положения в советской колонии. Своевременными мерами, предпринятыми резидентурой, все завербованные японцами лица были выведены в СССР, дали письменные показания, на основании которых советский Наркомат иностранных дел заявил официальный протест японской стороне.
Большое место в работе Косенко в Маньчжурии занимали вопросы выявления и нейтрализации диверсионно-террористических планов японской разведки и связанной с ней белогвардейской эмиграции.
Георгий Николаевич работал, как говорится, на износ, что сказалось на состоянии его здоровья. В конце 1935 года он серьезно заболел и в январе 1936 года был вынужден возвратиться в Москву. Врачи подлечили разведчика, и уже в мае того же года руководством разведки было принято решение направить его руководителем «легальной» резидентуры в Париж.
Руководимая Косенко парижская резидентура получала значительное количество информации, в том числе документальной, по вопросам внешней и внутренней политики французского правительства, имела источники информации в канцелярии президента, в правительстве, в местных спецслужбах. Резидентуре удалось также получить доступ к документам английского посольства и дипломатических представительств некоторых других иностранных государств. Весьма эффективной, по оценке Центра, была работа парижской резидентуры по линии научно-технической разведки.
Активно работала резидентура и по многочисленным организациям выходцев из России и их руководителям. В первую очередь это относилось к Русскому общевоинскому союзу, Народно-трудовому союзу (НТС), Организации украинских националистов (ОУН), грузинским меньшевикам.
Совместно с сотрудниками центрального аппарата разведки, специально командированными в Париж, Георгий Косенко принимал непосредственное участие в операции по похищению и вывозу в Советский Союз генерала Миллера. За реализацию этой операции он был награжден орденом Красного Знамени. В служебной характеристике, составленной на него в том же году в Центре, отмечалось: «За время работы в органах НКВД капитан госбезопасности Г. Н. Косенко характеризовался как хороший, способный, усидчивый и энергичный чекист. Руководимая им резидентура в Париже нанесла серьезный удар по белогвардейским эмигрантским организациям».
Борьба с вооруженной эмиграцией была лишь одним из направлений работы «легальной» резидентуры внешней разведки во Франции. Перед ней стояли весьма широкие задачи. Особенно активно работала резидентура в период гражданской войны в Испании. Косенко поддерживал тесный контакт с руководителем «легальной» резидентуры в Мадриде Орловым.
Большую работу Косенко и его сотрудники проводили с добровольцами интернациональных бригад, направлявшимися в Испанию транзитом через Францию. Лиц, представлявших вербовочный интерес, они привлекали к сотрудничеству с советской разведкой.
Парижская и мадридская резидентуры создали специальную школу по подготовке агентурных групп для совершения диверсий в тылу фалангистов. В Испании этими разведывательно-диверсионными группами руководил легендарный советский чекист Григорий Сыроежкин. Их опыт оказался весьма полезным в годы Великой Отечественной войны, когда руководимое П. А. Судоплатовым 4-е Управление НКВД — НКГБ развернуло подобную работу в тылу немецких войск.
Активно работал Косенко в Париже и по троцкистам, принимая участие практически во всех операциях, проводимых по линии СГОН. В частности, он обеспечивал проведение Серебрянским операции по вывозу так называемого «архива Троцкого» в Москву.
В июле 1938 года резидент НКВД в Испании Александр Орлов, которого руководитель НКВД Ежов отозвал в Москву, отказался выполнить распоряжение наркома и через свои родственные связи в США вместе с женой и дочерью тайно эмигрировал за океан. Бегство Орлова имело негативные последствия для ряда сотрудников внешней разведки.
В ноябре 1938 года капитан госбезопасности Косенко был отозван в Москву и выведен в резерв разведки. 27 декабря того же года по указанию Берии Георгий Косенко был арестован как «участник контрреволюционной террористической организации». Разведчику вменялось в вину знакомство и тесное взаимодействие с Орловым, которому он якобы выдал секреты подготовки операции по ликвидации Троцкого.
Вместе с Георгием Косенко в Москву были отозваны, а затем арестованы Сергей Шпигельглаз, а также резидент НКВД в Нью-Йорке Петр Гутцайт.