1933年，杜任之受党组织派遣回到山西，以山西绥靖公署秘书等公开身份为掩护，深入阎锡山内部开展策动抗日工作。1934年，他被任命为共产国际远东情报局通讯员，负责收集阎锡山地方政府的情报。
1939年“晋西事变”后，党中央指示杜任之在旧堡垒中长期潜伏，寻找有利靠山，团结青年，争取进入内层和核心开展革命工作。为此，他被任命为中共晋西特别组组长，在黄河西岸的陕西宜川县设立情报站，负责搜集军政情报并传递给党组织，公开身份是山西省政府委员、候补高干兼民族革命政治研究院办公室主任。
他推荐中共秘密党员樊耕农担任民族革命同志会执行部办公室秘书，专门负责为阎锡山主持的“高干会议”做会议记录和撰写重要文稿，从而掌握了阎锡山部的重要军政情报和思想动态。王世英曾评价说：“我们党在顽固阵营里构筑了一座堡垒，现在，竟把眼睛安在了敌人心脏里了！”
1944年，杜任之担任山西大学教授兼法学院院长，利用讲课之便传播进步思想，开展民主运动。1947年离开太原前往北平后，他继续按照党的指示策动和平解放北平的工作，为1949年1月31日北平和平解放作出了贡献。
中华人民共和国成立后，杜任之先后担任中国科学院编译出版委员会党组书记、常务主任，现代外国哲学学会理事长等职，1988年11月27日在北京逝世，享年83岁。