I 1942 arbeidet han som medarbeider av MI6 som kodeknekker i det engelske Bletchley Park ved dechiffreringen av kodet hemmelig kommunikasjon som ble avlyttet fra den tyske Wehrmacht.og som var kodet med deres rotor-chiffrerermaskin Enigma. Han videreførte på denne tid de dechiffrerte informasjoner som i Bletchley Park ble gitt dekknavnet "Ultra" via sine hemmelige kanaler til Sovjetunionen. Disse opplysningene var av stor nytte for Den røde armés kamp mot de tyske invasjonsstyrker. Slik hadde Cairncross for eksempel kunnet varsle sovjeterne – på grunnlag av Enigma-opplysninger på tysk – om det forestående tyske motangrepet ved Kursk ("Unternehmen Zitadelle"). Cairncross kommuniserte også på grunnlag av de tidlige og upolerte tekster så raskt at Sovjetunionen ofte leste informasjonen før Storbritannias vestallierte.