Allerede i 1940 ble Sønsteby involvert i det gryende motstandsarbeidet. I 1941 tok han seg over til Sverige, der han kom i kontakt med SOE. Transport til England var imidlertid et problem, og under et forsøk på å ta seg til Ålesund sammen med Claus Helberg for transport over Nordsjøen, forfrøs Sønsteby beina. Han kom etter hvert tilbake til Sverige og utførte utover i 1941 flere kurer-/etterretningsoppdrag inn i Norge for Den britiske legasjonen i Stockholm. I 1942 ble han internert og fengslet i tre måneder av svensk politi, men klarte så å overbevise dem om at han ikke var den ettersøkte Gunnar Sønsteby. I stedet for å flykte til England, skjulte Sønsteby seg for svensk politi og påtok seg oppdrag for den britiske legasjonen i Stockholm, tilknyttet SOE. Daniel Ring ga ham kodenavn «No. 24». I april 1942 ble han illegal på heltid og stasjonert i Oslo som britisk etterretningsagent, hvor han bygget opp et nettverk. Han ble bistått av Per Mørland, som var Sønstebys nestkommanderende og den første og mest allsidige medhjelperen i Sønstebys nettverk. I denne perioden samarbeidet han blant annet med organisasjonen 2A og Asbjørn Sundes Osvald-gruppe.