С началом Второй мировой войны нелегальные переходы границы с территории Польши вынужденно были прекращены, зато открылись новые возможности в Румынии, где в пограничной области производился обмен населения. Здесь перешло границу несколько человек из НТС. Один из них погиб при переправе через Прут, а двое других были вскоре захвачены в Галиции и Буковине. Активные члены НТС Дурново и Казнаков тоже были захвачены через 4 месяца после перехода. Но пятерым нелегалам удалось обосноваться в СССР. В итоге операции, по всей видимости, десять человек погибли при переходе или вскоре после перехода границы. Девять начали вторую жизнь, положив начало деятельности организации НТС внутри СССР.
С осени 1941 года стали образовываться группы НТС в оккупированных немецкими войсками Минске и Витебске, был создан центр в Смоленске. Далее деятельность НТС распространилась на район Пскова вплоть до Гатчины, на Вязьму, Брянск, Орел. К лету 1942 года деятельность Союза охватила и Украину. К 1943 году было охвачено 54 населенных пункта, в которых действовало до 120 групп. Многие состояли из 2–3 человек, но в некоторых было до 15 членов. Кое-где находились возможности доступа к типографиям, в которых печатались и распространялись враждебные листовки и брошюры.
В марте 1942 года немцами были созданы учебные лагеря под Берлином, куда отбирались квалифицированные лица из военнопленных для подготовки к административной работе «на Востоке». Преподавание в них взяли в свои руки руководители НТС. Из нескольких сот русских курсантов в НТС было принято около 30 человек, в том числе будущие видные его деятели. Там издавались необходимые для НТС печатные материалы.
НТС сотрудничал с руководителем РОА (Русская освободительная армия) бывшим генералом Красной Армии, предателем Власовым. В марте 1943 года была создана школа пропагандистов РОА под Берлином. Власов пригласил руководить школой другого предателя – генерала Трухина, бывшего преподавателя Академии Генерального штаба, к тому времени члена Совета НТС, и 10 человек по его выбору. Через указанные курсы прошли в общей сложности четыре с половиной тысячи курсантов; около 50 из них были приняты в НТС.
НТС вел также пропагандистскую работу среди советских беженцев, пленных и «остарбайтеров» в районах Берлина, Вены, Гамбурга, Дрездена и ряда других городов. Многие члены НТС состояли в редакциях либо сотрудничали с коллаборационистскими СМИ, например с газетой «Новый путь».
Крупной удачей НТС можно считать внедрение в 1945 году агента Мондича в ряды контрразведки «СМЕРШ». Однако уже в следующем году, опасаясь разоблачения, он был вынужден бежать в Западную Германию, где позднее издал мемуары. Подобный случай является скорее исключением на фоне многочисленных случаев раскрытия агентов НТС советскими органами госбезопасности.
После войны центр НТС обосновался в лагере для перемещенных лиц под Касселем в Западной Германии. Этот центр вел агитацию среди эмигрантов так называемой «второй волны» и пытался вести пропаганду среди советских оккупационных войск в Германии и Австрии. В 1950-е годы НТС оказался под полным контролем Центрального разведывательного управления США. Для подготовки кадров в Германии был создан специальный Институт по изучению СССР, кроме того обучение членов НТС проходило в специальных школах США и Великобритании.
В 1953 году две группы агентов НТС были сброшены с парашютами с американского самолета в районе Винницкой области Украины и Майкопа. Все агенты имели при себе рацию, шифровальный блокнот и оружие. Практически все они были схвачены сотрудниками органов госбезопасности, осуждены и расстреляны. Провал одной из групп произошел благодаря информации, полученной советской разведкой от Кима Филби.
Во вторую группу входили агенты Александр Маков, Сергей Горбунов, Дмитрий Ремига и Александр Лахно. Их заброску планировала английская разведка, а саму операцию осуществляли американцы. Все они были добровольцами из числа курсантов разведшколы ЦРУ, расположенной под Мюнхеном.
Один из оставшихся в живых, Михаил Кудрявцев, в 1993 году утверждал, что единственным заданием всех агентов было создание на Кубани подпольной ячейки и распространение листовок. Он категорически отрицал, что им поручалось собирать сведения о секретных оборонных объектах СССР. Однако один из основателей НТС Б. Прянишников, занимавший в 1949–1951 годах пост председателя Нью-йоркского отделения НТС, в собственных комментариях к блоку документов по «парашютной акции», хранящихся в его личном архиве, писал: