לאחר מבצע קדש קיבל פנייה מאגף המודיעין להצטרף לשורותיו. באותה עת הייתה יחידה 131 באמ"ן אחראית על הפעלת סוכנים בחו"ל, ואנשיה התרשמו מניסיונו הצבאי והמודיעיני, משפת האם הגרמנית שלו ומחזותו הארית (לוץ היה בלונדיני וכחול עיניים), וכן מאישיותו המוחצנת, נכונותו לקחת סיכונים וכישרון המשחק הטבעי שלו. לוץ יועד לצאת לשליחות ריגול במצרים, טריטוריה המוכרת לו היטב, במטרה לאסוף מידע על תהליך ההתחמשות של נאצר בסיוע סובייטי. בנוסף קיוו מפעיליו כי יוכל לחדור לחוגי היועצים הגרמנים, שרבים מהם, נאצים לשעבר שמצאו מחסה במצרים, עסקו שם בסיוע לתוכנית ההתחמשות המצרית.
בשנת 1959 נשלח על ידי מפעיליו באמ"ן לגרמניה במטרה לבסס לעצמו סיפור כיסוי, כהכנה לקראת צאתו למצרים. על פי סיפור הכיסוי היה לוץ איש עסקים בעל עבר נאצי, קצין בוורמאכט לשעבר, ששירת בצפון אפריקה, חי במשך 11 שנים באוסטרליה שם עסק בגידול סוסים ובהשבחתם, ושב עתה למצרים על מנת להקים בה מועדון רכיבה. הרקע של קצין גרמני בצפון אפריקה נוצר על בסיס היכרותו המעמיקה של לוץ עם הווי הקצינים והחיילים הגרמנים שאכן שירתו שם, מתוקף ניסיונו בתחקור מאות שבויים גרמנים בשרות הצבא הבריטי בצפון אפריקה. הוא יכול היה בנקל, אם יישאל, לנקוב בשמות ובמספרי יחידות, ואף בשמות חיילים וקצינים וסיפוריהם האישיים של "חבריו לנשק". הפעלת מועדון רכיבה נועדה לאפשר ללוץ יצירת קשרים קרובים עם אנשי החברה הגבוהה המצרית, קציני צבא ואנשי ממשל, שחייהם החברתיים התנהלו סביב מועדוני הרכיבה.
השליחות למצרים.
בדצמבר 1960 הגיע לוץ לקהיר, והחל מיידית לטוות את רשת הקשרים החברתיים שתסייע לו במשימתו, ולהסתובב בין מועדוני הרכיבה שם נהגו להיפגש אנשי החברה הגבוהה המצרית. בתוך ימים התיידד עם מפכ"ל המשטרה המצרי, ודרכו נתוודע לאנשי ממשל וצבא שונים. לוץ נהג בנדיבות ובפזרנות בידידיו המצרים שביקשו את קרבתו של איש העסקים ומומחה הסוסים הגרמני, ונהג לפנקם במתנות ולארחם בביתו ברוחב לב.
ביוני 1961, לאחר כחצי שנה בקהיר, נסע לפריז לפגישת תדרוך עם מפעיליו, שם צויד על ידיהם במשדר להעברת מסרים ובסכום כסף גדול. במהלך נסיעה ברכבת בדרכו חזרה מפריז הכיר את ולטראוד (טדי), אישה גרמניה ששבתה את לבו. לאחר רומן קצר החליט לשאת אותה לאישה ולצרפה אליו במצרים, ללא התייעצות עם מפעיליו וחרף העובדה שהיה כבר נשוי לאישה אחרת בישראל.
"המוסד" (מחלקה 131 באמ"ן, שהפעילה אותו, עברה בינתיים לתחום אחריותו של "המוסד") נחרד ושקל לבטל את שליחותו, אך לבסוף החליט ראש "המוסד", איסר הראל, לאשר את המשך הפעלתו של לוץ, ורעייתו הטרייה ולטראוד הצטרפה אליו במצרים. תוך זמן קצר עמדה על עיסוקו האמיתי, ונרתמה לסייע לו בפעילות הריגול. על פי דיווחים אחדים שמהימנותם אינה ברורה, לא הייתה ולטראוד אלא סוכנת של שירות הביון המערב גרמני (Bundesnachrichtendienst, BND), שנשלחה לסייע לו במסגרת שיתוף הפעולה בין שירותי המודיעין של שתי המדינות.
בקהיר המשיך לוץ, עם ולטראוד לצדו, לשחק את איש העסקים העשיר חובב הסוסים והרכיבה. הוא פתח חוות סוסים ומועדון רכיבה משלו במימון הכספים שקיבל מ"המוסד", רכש לעצמו במהירות חוג לקוחות מתוך שמנה וסולתה של החברה המצרית, ונהג לארח בחוותו מסיבות ונשפי חשק. בין לקוחותיו וידידיו הקרובים נמנו קצינים בכירים, ובכללם סגן ראש המודיעין הצבאי והממונה על הביטחון באזור תעלת סואץ, אותם שכנע להראות לו את אמצעי ההגנה ואתרי שיגור הטילים בסיני. הוא הקפיד בכל הזדמנות לשוות לעצמו תדמית של אנטישמי מובהק, ודיבר בגנות היהודים וישראל. מדי פעם נסע לאירופה לפגישות עם מפעיליו, לדיווחים ולתידרוכים.
המודיעין שסיפק לוץ למוסד היה באיכות מעולה, אף שמפעיליו הוטרדו ממנהגי ההוללות, הפזרנות והשתייה שלו (על אלה זכה לכינוי "מרגל השמפניה"). קשריו עם ראשי הצבא והממשל המצרי הלכו והעמיקו, והוא הצליח לחלץ מהם מידע על תוכניותיהם הצבאיות ועל הלך הרוח במצרים. מדי יום שידר לישראל במורס, ועסק באיסוף מידע רחב על תעשיית הנשק המצרית, ובפרט על תעשיית הטילים שפותחו באותה עת בסיוע מדענים גרמניים. בנוסף אסף מידע על מערכת ההגנה וההתקפה בצבא המצרי. הוא גם הצליח להניח ידיו על רשימת המומחים הגרמנים שהועסקו על ידי המצרים, העבירה למפעיליו, ובשלהי 1962 שלח מעטפות נפץ לאותם מהנדסים וגרם לפציעתם של כמה מהם. בין השאר, אחת מאותן מעטפות גרמה לעיוורון ולהשחתת הפנים של ונדה אנלורה, מזכירתו, ולימים מאהבתו, של אחד מהמומחים הבכירים, ד"ר פילץ.
המעצר.
במסגרת קשריו ההולכים ומתהדקים של נאצר עם הגוש המזרחי, הוזמן ב־1965 מנהיג מזרח גרמניה ולטר אולבריכט לביקור במצרים. המזרח גרמנים והסובייטים היו מוטרדים מפעילות שרותי המודיעין של מערב גרמניה במצרים, ונאצר החליט, כמחווה לרגל הביקור, לעצור כ-30 אזרחים מערב גרמנים ששהו במצרים כמעצר מונע. בין העצורים היו גם וולפגנג וולטראוד לוץ, וכן הוריה של ולטראוד ששהו באותה עת בקהיר לביקור בתם. הכוונה הייתה לשחררם כעבור זמן קצר, בתום ביקורו של נשיא מזרח גרמניה, אך לוץ היה משוכנע כי נעצר משום שנחשפה פעילותו כמרגל. הוא חרד לגורלם של ולטראוד והוריה, והחליט לשתף פעולה עם החוקרים המצריים תוך שכנועם שהוא אזרח גרמני שפותה לרגל עבור ישראל תמורת בצע כסף ותחת לחצים, ללא ידיעתה של אשתו. הגרסה שמסר לחוקריו הייתה למעשה חזרה מלאה על סיפור הכיסוי שלו: קצין ורמאכט שלחם באפריקה, חי באוסטרליה, והגיע למצרים לפתוח חוות סוסים; אלא שעתה גם סיפר כי את המימון לחוות הסוסים סיפקו לו שרותי המודיעין של ישראל, שבתמורה דרשו ממנו שיספק להם מידע, והוא נעתר לבקשתם מתוך חשש שיפגעו בו. דבר המעצר התפרסם בתחילת מרץ 1965.
החוקרים המצריים התרשמו מ"גילוי הלב" שלו ונכונותו לשתף פעולה, וקנו את גרסתו. הם גם האמינו לו שלהורי ולטראוד לא היה כל חלק בפרשת הריגול ושחררו אותם, אך לא השתכנעו לגבי אי-מעורבותה של ולטראוד עצמה. לוץ, מכל מקום, המשיך לספק מידע לחוקריו בטכניקה שרכש בה מומחיות, של עירוב חלקי אמיתות עם בדיות, ולהשלמת ההצגה הסכים להופיע בשידור טלוויזיה לגרמניה בו הוא קורא לאחיו הגרמנים "להיזהר מליפול ברשתם של שירותי המודיעין הישראליים". גרסתו הייתה כה משכנעת, עד כי חוקריו האמינו לו גם כאשר הגיע מגרמניה מסמך סותר, שגולל את קורות חייו האמיתיים. עורך דין גרמני שייצג את קרבנות מכתבי האיום והנפץ שנשלחו למומחים הגרמנים כתב לחוקרים המצרים את פרטי התחקיר שערך בגרמניה לגבי לוץ: שהוא בן לאם יהודייה, שעלה לארץ ישראל בשנות ה-30 ושירת כקצין בצה"ל. במהלך משפטו איתר עיתונאי גרמני את מקום מגוריה של אימו והגיע לדירתה. למזלו של לוץ האם לא פתחה לעיתונאי את דלת ביתה. לוץ הצליח לשכנע את חוקריו שפרטים אלה מצוצים מן האצבע. לביסוס סיפור הכיסוי סייעה העובדה שעורכי העיתונים בישראל נענו לבקשת ראש המוסד, מאיר עמית, שלא לפרסם את תמונתו של לוץ, על אף שהיא פורסמה בכל העולם (החשש היה שאנשים רבים בישראל – שהכירו את זאב גור אריה – יזהו את התמונה, והדבר ייוודע למצרים).
המשפט וגזר הדין.
לכידתו של לוץ התרחשה שבועות אחדים בלבד לאחר מעצרו של אלי כהן בדמשק בידי שרותי הביטחון של סוריה, אף הוא מרגל שבגיוסו, אימונו, ובניית סיפור הכיסוי שלו והחדרתו הושקע מאמץ רב, ואף הוא נחשב סיפור הצלחה מדהים באיכות המודיעין שסיפק. בכך ניחתה על "המוסד" מכה כפולה. בשני המקרים, מיוחסת הנפילה לעודף שאננות, ביטחון עצמי מופרז ואי-נקיטה באמצעי הזהירות הנלמדים והמתבקשים. אך שלא כמו כהן, הצליח לוץ לשמור על סיפור הכיסוי שלו ועל זהותו הבדויה, ולהימנע מהעמדה לדין כישראלי. לוץ העיד לאחר שנים כי לא קיבל אזהרה כלשהי לאחר לכידתו של אלי כהן.
בני הזוג לוץ הועמדו לדין בפני בית הדין לביטחון המדינה. "המוסד" משך חוטים בגרמניה בחשאי, והצליח לארגן ללוץ עורך דין גרמני שיגן עליו עם סיפור הכיסוי, וכן דאג לנוכחותו של משקיף גרמני בבית המשפט שיוודא משפט הוגן. גם בעומדם בפני בית הדין, התברר עד כמה סיפור הכיסוי של בני הזוג היה משכנע: ולטראוד טענה כי סברה שבעלה פועל כסוכן מודיעין בעבור נאט"ו, והוא הצליח לשכנע את בית הדין כי הוא אזרח גרמני שפעל עבור ישראל למען בצע כסף.
ב־21 באוגוסט 1965 נגזר עונשו של לוץ למאסר עולם עם עבודות פרך, ורעייתו נידונה לשלוש שנות מאסר. בפועל, לא ביצע לוץ עבודת פרך, וגם בכלא הצליח לתמרן את סוהריו ולזכות בכבודם והערכתם. בכלא הכיר את אסירי "העסק הביש" – רוברט דסה, ויקטור לוי ופיליפ נתנזון, והתיידד אתם. בתחילה לא חשף אף בפניהם את זהותו האמיתית, אולם בהמשך הזדהה בפניהם כישראלי. הוא אף הורשה מדי פעם להתראות עם ולטראוד, שהייתה אסורה בכלא לנשים יחד עם מרסל ניניו, מנידוני "העסק הביש".
השחרור ולאחריו.
לאחר כשנתיים וחצי בכלא המצרי שוחררו בני הזוג לוץ, במסגרת חילופי שבויים בראשית 1968, חודשים אחדים לאחר מלחמת ששת הימים, יחד עם אסירי העסק הביש. הם הוטסו ב-12 בפברואר לחו"ל, ומשם המשיכו לישראל. הם התגוררו במושב גנות כחמש וחצי שנים, שם פתח לוץ חוות סוסים. בתקופה זו כתב לוץ ספר, והרבה להתראיין באמצעי התקשורת ולספר על מעלליו, אולם התקשה למצוא את מקומו בחיי השגרה נטולי הזוהר וההרפתקה. עם שחרורו פורסם בגרמניה שלוץ הוא אזרח ישראלי, דבר שאושר על ידי מקורות ישראליים בנובמבר 1971.