Sønsteby nam vanaf 1940 deel aan het Noorse verzet. Ten tijde van de Duitse invasie van Noorwegen in april-mei 1940 woonde Sønsteby in Oslo. Hij sloot zich aan bij de Noorse troepen in Østlandet en vocht tegen de Duitsers totdat hij longontsteking kreeg. Hierna sloot hij zich aan bij het verzet. In 1941 ging hij naar Zweden, waar hij in contact kwam met de Britse geheime dienst Special Operations Executive (SOE). In 1941 voerde hij in opdracht van de Britten een reeks koeriers- en inlichtingenmissies uit in Noorwegen. In 1942 werd hij gearresteerd en drie maanden vastgehouden door de Zweedse politie, maar hij wist hen ervan te overtuigen dat hij een ander persoon was dan de gezochte Sønsteby.