GRU đã thu thập thông tin trong những điều kiện vô cùng phức tạp, dưới sự kiểm soát gắt gao của các cơ quan phản gián Đức và luôn chịu nhiều rủi ro tính mạng.
Các điệp viên thuộc Tổng cục Tình báo Bộ Tổng tham mưu Hồng quân Liên Xô (GRU) đã cung cấp những bằng chứng về việc Đức chuẩn bị tấn công Liên Xô, cũng như thời điểm tấn công cụ thể, những nước tham gia cùng với Đức, số lượng các binh đoàn Đức tập trung dọc biên giới với Liên Xô…
Trong suốt Chiến tranh Vệ quốc, GRU tập trung chủ yếu vào việc thu thập tin tức chính xác về các kế hoạch của quân Đức, hoạt động và năng lực của nền công nghiệp quân sự Đức và các nước chư hầu, về việc liệu Nhật Bản và Thổ Nhĩ Kỳ có cùng với Đức tấn công Liên Xô hay không.
Các điệp viên của GRU Richard Sorge hoạt động ở Nhật Bản và Moriss ở Mỹ đều khẳng định Tokyo sẽ không tiến công Liên Xô từ phía Đông như đã hứa với Đức.
Ngày 16/9/1941, Hitler phê chuẩn kế hoạch tiến công Moscow mang tên Typhoon (Bão tố), sử dụng trên 1 triệu quân được 1.700 xe tăng và một lực lượng lớn không quân chi viện. Thế nhưng, Hitler không thể ngờ rằng hầu như bút phê của y còn chưa ráo mực, Bộ Tổng chỉ huy Hồng quân đã nắm được.
Thông qua việc giải mã một tài liệu, kết hợp hỏi cung một phi công tù binh bị bắn rơi trên bầu trời ngoại ô Moscow, GRU biết được rằng quân Đức mà nòng cốt là Cụm tập đoàn quân Trung Tâm dưới quyền chỉ huy của Thống chế Von Bock sẽ mở màn chiến dịch Typhoon vào ngày 2 hoặc 3/10/1941.
Tin từ các điệp viên GRU tại nhiều nơi như London (Anh), Paris (Pháp)... cũng có nội dung tương tự. Đặc biệt, mạng lưới do Thiếu tướng Vasily Tupikov - Tuỳ viên quân sự Liên Xô tại Berlin chỉ đạo, không chỉ khẳng định thông tin trên mà còn cung cấp danh sách các đơn vị không quân Đức tham gia chiến dịch.
Những tin tình báo quan trọng này đã giúp Bộ Tổng chỉ huy tiến hành các biện pháp cần thiết trong việc tổ chức, bố trí lực lượng phòng thủ Moscow.
Ngày 3/10/1941, khi quân Đức tiến công, nhiều cơ quan chính phủ đã kịp thời di tản về các thành phố khác. Cơ quan tiền phương của GRU ở lại Moscow, ngay cạnh Cục Tác chiến Bộ Tổng tham mưu để theo dõi, nắm bắt tin tình báo, trực tiếp cùng Cục Tác chiến hoạch định kế hoạch và điều hành tác chiến.
Cơ quan tiền phương GRU đã tiến hành một chiến dịch mật có tên Kế hoạch Z, tổ chức 5 nhóm tác chiến gồm gần 500 người, 71 đội hành động với gần 2.000 người tung vào hậu phương địch. Các nhóm tác chiến đã tích cực khai thác các thông tin về các đơn vị Đức cũng như kế hoạch tác chiến của quân Đức.
Bằng những cuộc tiến công đột kích bất ngờ, hiệu quả, các đội hành động đã gây thương vong cho đối phương; hạn chế tới mức tối thiểu khả năng vận chuyển lực lượng, phương tiện chiến tranh, vũ khí trang bị của quân Đức theo các tuyến đường quan trọng, đặc biệt là hướng Smolensk - Moscow.
Lực lượng Tình báo Vô tuyến điện (VTĐ) thuộc GRU cũng hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ trinh sát các đơn vị máy bay ném bom Đức, xác định chính xác chủng loại, số lượng, sân bay cất cánh, hướng bay oanh kích Moscow.
Tin tức của VTĐ đã góp phần để lưới lửa phòng không dày đặc của Hồng quân bảo vệ có hiệu quả thủ đô trước không quân Đức. Chính chiếc máy bay Yankers-88 với viên Đại uý Meshmid mang theo những thông tin tình báo quý giá bị bắn rơi trước trận đánh cũng có đóng góp to lớn của tình báo VTĐ.
Đồng thời, các tiểu đoàn đặc nhiệm VTĐ Hồng quân đã rất thành công trong việc tiến hành gây nhiễu và tung tin giả. Mỗi tiểu đoàn được trang bị 18-20 máy thu trộm sóng và 4 máy định vị. Các sĩ quan liên lạc Đức thừa nhận, tin do VTĐ cung cấp đã “đóng vai trò quyết định trong thắng lợi của người Nga”.
Sang năm 1942, GRU cảnh báo Bộ Tổng tham mưu Xô-viết về việc Đức chuẩn bị đợt tấn công mùa xuân theo hướng Kavkaz và Stalingrad, cùng các đòn tấn công hỗ trợ ở hướng bắc và các chiến dịch nghi binh ở hướng trung tâm nhằm vào Moscow. Thời hạn bắt đầu là trung tuần tháng 4 hoặc đầu tháng 5.
Trong các chiến dịch tiếp theo, GRU cung cấp các tin tức tình báo chính xác giúp Bộ Tổng tư lệnh Tối cao đưa ra các quyết định mang tính chiến lược.
Trong chiến dịch ở Vòng cung Kursk (1943), tình báo quân sự báo cáo Bộ Tổng tư lệnh Tối cao và Bộ Tư lệnh các phương diện quân thời điểm quân Đức chuyển sang tấn công từ ngày 3 đến 6/7. Tin tình báo chính xác cho phép Hồng quân đánh các đòn phủ đầu, giành chiến thắng và chủ động trên chiến trường.
GRU cũng có những đóng góp to lớn trong việc đánh tan đạo quân Quan Đông của Nhật Bản. Không phải ngẫu nhiên mà người thay mặt Liên Xô ký Hiệp ước đầu hàng của Nhật lại là Trung tướng Tình báo Kuzma Derevyanko. Đây là sự đánh giá rất cao của Nhà nước Xô-viết đối với Cơ quan Tình báo quân sự.