上海市政府於1937年11月倒台後，戴笠被召到南京。當然，他知道首都不久將陷落於來自東南部的日軍。於是他立刻開始準備城市的地下工作。想到戰事爆發後在上海設立軍事情報網所遇到的種種艱難，戴笠把南京指定為特區，由他最信任的一個部下錢新民任區長。他告訴蔣介石，錢擔任這個關鍵職務完全可靠。他還設立了兩個秘密電台，由女報務員主持，準備在南京被敵軍佔領以後潛伏下來。
南京淪陷以後，作為二局頭子的戴笠在全國軍事情報收集方面變得日益重要。在那以前，戴笠辦公室的使命是所謂的「軍事靜態調查」。在實際工作中，它被分為兩部分活動：由一組外勤特工進行「搜集」活動；而由二局的另一組人員對前者的情報進行「查證」。
搜集情報通常是由有軍職的特工們負責。他們的責任有兩重性：實地搜集關於共產黨的情報，並彙報他們自己所屬的軍事單位的情況。關於共產黨的報告被送到戴笠的辦公處（先在武漢，後移至重慶），然後經分類後再發送到復興社地方網路或其他軍事機構中的特工去證實，以便採取行動。關於各個軍事力量的報告包括了當地的「保安團」、該軍事實體的戰鬥力（馬匹數量、武器量、人員的體質狀況）、士兵的政治背景和道德質量（是否吃喝嫖賭等），以及官員們的「思想狀況」。這些報告送到內勤人員那裡，他們有規律地跟蹤觀察這些具體單位在戰時與和平時期的能力。儘管前一種報告被認為比後一種報告更緊急，但二者被指定用同等速度發送。因此，戴笠的特工系統在通訊的清晰有效方面保持了應得的聲譽。二局的官員們誇耀說，在外勤特工與戴笠的總部間接收和轉發信息的速度上，沒有任何一個軍事單位能夠與他們相比。
戰爭爆發後，戴笠在此基礎上又增加了一個重點：向蔣介石提供軍事動向及國民黨將軍們的活動。為此，他建立了一些「戰地調查組」，將它們派到江灣、羅店、瀏河、楊行等地。每組至少有一個以大隊部政治官員作掩護的頭目、一個配有小型無線電收發報機的報務員、一個密碼員、一個內務人員，他們都是來自特務處總部的正規特工。若有需要，也會通過「畢業生調查處」從受過中央軍事學校訓練的無業軍官中增派人員。只要有需要調查和彙報的戰役，他們便奉命前往。由於這些人的軍事背景，他們能夠有效地與前線的軍事人員聯絡。戰地調查組還負責對軍人的監視任務。
蔣介石把戴笠的日常戰地報告視為他所得到的關於前線最可靠的情報。但他對戴笠也許信錯了。雖然戴笠每晚都派信使坐火車去南京送報告，供蔣介石每早審閱，但情報本身並不見得來自第一手觀察。戰地調查組的人員，甚至組長們，只是在「營部」層次上受歡迎，但不允許到前線連排的陣地中去。擔任羅店和瀏河戰地調查組頭目的沈醉，好幾次要去前線觀察，都被一位旅長阻擋，因為那旅長要向南京隱瞞無法收復被日軍攻陷的一塊陣地的實情。
只是在整個戰線崩潰後，沈醉從對其他官員的採訪報告中，才逐一將失敗的原因比較準確地勾畫出來。
隨著敵人漸漸逼近南京，戴笠遷到了漢口。他的情報機關設在前日本租界南小路的一個小學校里。他會偶然去湖南、貴州或重慶，但總是儘快回來審閱特工們送來的報告，並儘力確保他對戰時不斷發展的間諜網的控制。就是在漢口法租界的住宅里，他獲悉了南京大屠殺的詳情。他還得知了南京特區區長錢新民投靠日本人的消息，聽到這個消息時，戴笠又震驚又惱怒。
早在日本人包圍南京以前，錢新民便把特區總部遷到了河對岸的瀏河。南京一陷落，錢新民便攜帶「首都」特區秘密特工的名單投奔了日本秘密特務機關（tokumu kikan），並幫助日本人到處逮捕軍統特工。只幾天工夫，戴笠在淪陷城市內開展地下情報活動的成果便被破壞殆盡。南京的網路被錢新民徹底暴露了，因此戴笠責備自己是個「瞎子，看不見這個人的真相」。這位秘密特務頭子再一次為使總司令失望而感到萬分沮喪，他對最早向他報告錢新民投敵的沈醉說，他因為擔保了一個「完全沒有良心的人」而在蔣介石面前丟盡了面子。
南京淪陷後，在國民黨內部發生了一次大改組。1938年2月4日，蔣介石成立了一個「黨員監察網」來「檢查黨員們是否真正在做布置給他們的工作」。據陳立夫回憶，「蔣先生覺得黨員們沒什麼用。共產黨員起著決定性的作用，但我們的黨員沒有。他們對執行命令粗枝大葉而且鬆弛散漫。蔣先生覺得有必要檢查他們，督促他們。」與此同時，隨著越來越多的軍人入黨，而且省政府主席們也當了中央執行委員會成員，國民黨被置於一種戰備狀態。1938年3月至4月，在武昌珞珈山召開的國民黨臨時全國代表大會上，蔣介石以全票當選為黨的「總裁」，而治安工作的重要性也得到加強。