מערך הריגול של בעלות הברית היה בתחילת המלחמה קטן ביחס למערכי המודיעין המקבילים במדינות הציר, וסבל מחוסר ארגון ומחוסר במימון. עד סוף המלחמה הגיע מודיעין בעלות הברית לעליונות כמעט מוחלטת על פני מקבילו במעצמות הציר ובגרמניה בפרט.
בשנותיה הראשונות של המלחמה המודיעין הגרמני נחל מספר הצלחות חשובות ובהן פענוח של תשדורות בין ספינות בריטיות באוקיינוס האטלנטי, הצלחה בהשגת מודיעין למבצע לפני פלישה למדינות רבות וכן תפיסתם של אנשי מחתרת רבים בהולנד. מנגד, בעלות הברית התקשו לפצח את ההצפנה הגרמנית, ובארצות הברית התקשו לקיים תיאום טוב בין ארגוני המודיעין השונים.
בברית המועצות, למרות מידע ממגוון מקורות על כוונת הגרמנים לפלוש למדינה במבצע ברברוסה, לא נערכו בהתאם ולא התייחסו ברצינות הראויה למידע זה.
בהמשך המלחמה התעצמו מערכי המודיעין של בעלות הברית. אלו נהנו מיתרון של גישה למספר רב של פליטים, וכן לגורמי מחתרת רבים במדינות הכבושות שרצו בהפלת משטר הכיבוש, שאותם היה ניתן לגייס בקלות יחסית. בנוסף עלה בידי בעלות הברית לפצח את ההצפנות העיקריות שבהן השתמשו מדינות הציר. תחרות, ואף יריבות, בין ארגוני המודיעין השונים בגרמניה העיבו על פעילותם, ואלו פעלו לעיתים אף אחד נגד השני וכן נגד המשטר.
בעלות הברית.
בריטניה.
בראש מערך המודיעין הבריטי עמד ראש הממשלה, וינסטון צ'רצ'יל. מתחתיו כיהנה "ועדת המודיעין המשותפת" - ועדה שהייתה מורכבת מראשי אגפי המודיעין. מטרתה הייתה לתאם את המאמץ המודיעיני בין הגורמים השונים, הן בתוך הקהילה הבריטית עצמה והן במישור הבינלאומי. הקהילה עצמה הייתה מורכבת משלושה גופים מרכזיים:
מרכז העצבים של מודיעין האותות בבריטניה התמקם בבלצ'לי פארק, ואילו המרכז למודיעין חזותי של חיל האוויר המלכותי התמקם במדמנהם (Medmenham).
בתחילת המלחמה היה מערך המודיעין הבריטי קטן, וסבל מחוסר בארגון ובמימון. בהמשך, התעצם המערך בתהליך שנבע ממספר גורמים:
עדות למידת ההצלחה של מערכת המודיעין הבריטית היא הצלחת מבצע הפלישה לנורמנדי. הנחת העבודה של בעלות הברית הייתה, שהיכולת להפתיע את הגרמנים בנוגע למועד ומיקום הפלישה היא תנאי בל יעבור. מערך ההטעיה שהפעילו הבריטים, ובעלות הברית בכלל, היה כה מוצלח שלא רק שהגרמנים היו בטוחים שהפלישה תתבצע במועד ובמקום אחר, אלא שגם בזמן הפלישה עצמה הם סברו בתחילה שהפלישה היא בעצם תרגיל הטעיה.
במהלך המלחמה עלה בידיהם של הבריטים לפצח את הצפנים העיקריים ששימשו את מדינות הציר. הבריטים נעזרו באנשי הביורו שיפרוב, מטה ההצפנה הפולני, שעסק בפענוח ההצפנה של מכונת האניגמה הגרמנית עוד לפני המלחמה. אנשי הביורו שיפרוב סייעו לבריטניה בפענוח האניגמה גם לאחר כיבושה של פולין. בין הבולטים שבאנשי ביורו שיפרוב שפרצו את הדרך לשבירת צופן האניגמה: מריאן רייבסקי, ירזי רוז'יצקי, הנריק זיגלסקי. הבריטים הצליחו לשבור את צופן PURPLE ששימש את משרד החוץ היפני עוד בשנת 1940. עד סוף יוני 1941 הצליחו הבריטים לפענח את צופן האניגמה ששימש את הצי הגרמני, הודות לתפיסתם של כלי שיט גרמנים שהכילו מכונת אניגמה, ספרי קוד וספרי הפעלה כחודש לפני כן. בעזרת מידע זה היו הבריטים יכולים להשיג מידע רב ערך על המאמץ הגרמני, בלי שלגרמנים הייתה גישה למידע מקביל. בדצמבר 1943 הושלמה בנייתו של מחשב קולוסוס, על ידי קבוצה בראשותו של טומי פלוורס. מחשב זה שימש את הבריטים לפענוח של תשדורות שהוצפנו באמצעות מכונת לורנץ.
ארצות הברית.
בארצות הברית פעלו מספר ארגוני מודיעין בהם: חיל האותות של הצבא האמריקני ו-OP-20-G של הצי האמריקני. בשלבים המוקדמים של המלחמה המודיעין של הצבא והמודיעין של הצי כמעט ולא קיימו שיתוף פעולה, אלא על בסיס אישי, אך בהמשך התקיים שיתוף פעולה על בסיס ועדות משותפות. בנוסף פעלו גם גופי מודיעין ממשלתיים מחוץ לצבא, כגון ה-FBI, ומחלקת המדינה. במהלך המלחמה הוקם המשרד לשירותים אסטרטגיים אשר קדם ל-CIA.
הצי האמריקאי הפעיל מספר בסיסי מודיעין לאיסוף וניתוח של מודיעין על הצי היפני שהמרכזיים שבהם כללו את: היפו (בהוואי), קאסט (קורגידור, הפיליפינים), בייקר (בגואם) ו-OP-20-G (וושינגטון).
המודיעין האמריקאי זיהה את האיום הגובר על פרל הארבור עוד לפני המתקפה, אולם סדרת מחדלים, וכן סדר עדיפויות שגוי, מנעו פעולות הכנה לקראת המתקפה. בעקבות המתקפה נהנה המודיעין האמריקאי מתמיכה רחבה יותר מאשר קודם למתקפה.
אחת ההצלחות המרכזיות של המודיעין האמריקאי הייתה פענוח תשדורות של הצי היפני, אשר הניבו מודיעין שאפשר לאדמירל צ'סטר נימיץ להיות עם היד על העליונה בקרב מידווי.
בווירג'יניה הקימו האמריקאים בית ספר למודיעין. עד לשבירת הצפנים ששימשו את הצבא היפני ב-1943 התבסס המודיעין אודות הכוחות היפנים בעיקר על מכ"ם וניתוח תנועות של הצבא.
צבא היבשה האמריקאי שיתף פעולה עם הצי האמריקאי בפענוח PURPLE, הצפנה ששימשה את משרד החוץ היפני, שהייתה שונה מזו ששימשה את הצבא היפני.
ארצות הברית, בריטניה ואוסטרליה הפעילו יחד את יחידת שייטת הרדיו של מלבורן (FRUMEL; Fleet Radio Unit, Melbourne) לאיסוף מודיעין אותות. זו יחד עם יחידת שייטת הרדיו של האוקיינוס השקט (FRUPAC; Fleet Radio Unit Pacific) היו יחידות האיסוף העיקריות של בעלות הברית בזירת האוקיינוס השקט. ארגון מודיעין נוסף בזירה זו הייתה הלשכה המרכזית (Central Bureau) שסופחה למפקד אזור דרום מערב האוקיינוס השקט, דאגלס מקארתור.
מעקב אחר תנועת הכוחות היפנים נעשה כמעט בזמן אמת. אחת מהצלחותיו של מעקב זה הייתה זיהוי תנועה של שתי דיוויזיות חי"ר יפניות בים, שנעו משנגחאי לגינאה החדשה. השיירה יורטה על ידי צוללות אמריקניות שהסבו נזק כבד ליחידות אלו.
הצבא האמריקאי הפעיל יחידת מודיעין אותות ב"מחנה X" בדרום קווינסלנד. בין היתר הצליחה יחידה זו ליצור קשר עם כוחות גרילה ועם קאוסטוו'צרס .
בהסכם ברוסה שנת 1943 מ-17 במאי 1943 הסכימו הבריטים והאמריקאים לשתף פעולה יחד בנושאי מודיעין.
צרפת.
לפני כיבושה של צרפת בידי הנאצים פעלה במדינה המשרד השני של המטה הכללי הצרפתי, סוכנות המודיעין הצבאי. אחרי נפילת צרפת הוקמה הלשכה המרכזית למודיעין ומבצעים במסגרת כוחות צרפת החופשית.
הצרפתים והפולנים הפעילו תחנת מודיעין משותפת שפעלה כ-40 ק"מ מפריז, פי.סי. ברונו , שבה פוענח מידע שהוצפן באמצעות אניגמה. התחנה פעלה מ-1939 ועד 9 ביוני 1940. על התחנה פיקד קצין מודיעין צרפתי, גוסטב ברטרנד והיא כללה 50 צרפתים ו-15 פולנים.
ברית המועצות.
בברית המועצות פעלו מספר ארגוני מודיעין וארגוני סיכול מודיעין בהם גה-אר-או שפעל תחת משרד ההגנה ונ.ק.ו.ד. שפעל תחת משרד הפנים. ארגונים אלו יצרו קשר עם גורמים מחתרתיים ברחבי אירופה שהתנגדו למשטר הנאצי, ואיסוף המודיעין הסתמך בעיקר על מודיעין אנושי שכלל:
הסובייטים הפעילו כמה רשתות ריגול, שאחת המפורסמות שבהן הייתה התזמורת האדומה, שהונהגה על ידי ליאופולד טרפר. רשת זו הצליחה להשיג בין היתר את הוראה מס' 21, ההוראה הגרמנית למבצע ברברוסה. סוכן בולט נוסף שהפעיל המודיעין הסובייטי היה ריכרד זורגה שפעל במסווה של עיתונאי גרמני ביפן.
ברית המועצות נהנתה ממידע מוקדם בנוגע לפלישה הנאצית הצפויה אליה, ואל סטלין הגיעו התרעות ממקורות שונים. לפי החוקר בארטון ס. ויילי בספרו מילת הקוד ברברוסה הגיעו אל הקרמלין לא פחות מ-84 התרעות שונות בחודשים שלפני המלחמה. בין התרעות הבולטות היו:
על אף המידע המגוון שזרם אליהם בנוגע לכוונה הגרמנית ברית המועצות לא הייתה מוכנה למלחמה. הסובייטים ביטלו את המידע כלא אמין ומזויף וכתעמולה בריטית ואמריקאית. גוליקוב, שעמד בראש ה-GRU הוציא הוראה ב-20 במרץ 1941 שקבעה כי יש להתייחס לידיעות על מלחמה קרבה עם גרמניה כזיוף. בנוסף הוא אף נהג להוסיף בשולי ידיעות מטרפר שהוא "מקור בריטי" ולגבי זורגה "סוכן כפול".
מדינות הציר.
גרמניה.
בגרמניה הנאצית פעלו מספר מנגנוני מודיעין. החשוב שבהם במשך רוב מהלך המלחמה היה מנגנון המודיעין הצבאי הגרמני, אבווהר, בראשותו של וילהלם קנריס. גופי מודיעין נוספים שפעלו בגרמניה היו הגסטאפו והאס דה, ארגון המודיעין של המפלגה הנאצית. בין הארגונים התקיימה תחרות מתמדת כדי להשיג מודיעין שירצה את הפיהרר. ה-B-Dienst היה ארגון שבירת צפנים של הצי הגרמני. הארגון הצליח לפענח את חלק מהתשדורות המוצפנות של הבריטים ולספק מידע חשוב לצורך המערכה באוקיינוס האטלנטי.
המודיעין של חיל האוויר הגרמני, הלופטוואפה, סבל מכשלים ארגוניים במהלך הקרב על בריטניה. לעיתים קרובות קציני מודיעין הגיעו למסקנות שיתאמו את תוכניותיהם, ולאו דווקא תאמו את המידע שהגיע לידיהם. דוח מודיעיני גרמני מ-1939, זלזל ביכולות הרדאר הבריטי וביכולתם של הבריטים ליירט תקשורת, והעריך כי הגנות רציניות קיימות רק באזור לונדון.
בשנים הראשונות למלחמה האבווהר הוכיח עצמו כמנגנון מודיעין יעיל. אחת מהצלחותיו של הארגון הייתה "מבצע נורדפול" נגד המחתרת ההולנדית שבאותו הזמן אומנה וחומשה על ידי שירותי המודיעין הבריטים. במרץ 1941 הכריחו אנשי האבווהר סוכן בריטי שנתפס לשדר מסרים לבריטניה שאיפשרו לאבווהר לחדור אל הרשת ההולנדית, ולמעשה לשלוט בה במשך שנתיים, לתפוס כל סוכן שנשלח אליהם, ולהמשיך בשידור מסרים כוזבים.