Его допрашивали Артузов и Менжинский. Заметив слабину в Сосновском — он был о себе слишком большого мнения и стремился играть в большую политику, — они подключили к его обработке лидера польских коммунистов Юлиана Мархлевского (кстати говоря, гимназического товарища Пилсудского). Тот внушил Сосновскому, что, шпионя против Советской России, он помогает русским белогвардейцам, в случае победы которых Польша будет вновь порабощена. Поэтому в интересах польского патриотизма следует всячески поддерживать русских большевиков.
Трудно сказать, клюнул ли Сосновский на эту нехитрую теорию или просто хотел жить, но он выдал более десятка известных ему сотрудников польской разведки, также являвшихся членами ПОВ. Поставив, правда, условие, что те из них, кто захочет, будут переданы польским властям, что и произошло. Некоторые из ближайших друзей Сосновского по разведке и по ПОВ вместе с ним пошли на работу в ВЧК. Среди них Виктор Стецкевич, его заместитель, работавший на Центральной военной радиостанции в Петрограде, Юна Шепелинская, Карл Роллер, Мария Недзвяловская и некоторые другие.
В 1920 году вместе с Артузовым Сосновский со своими бывшими соратниками выехал на польский фронт, где разоблачил нескольких агентов и диверсантов противника. Большой резонанс имело написанное им открытое письмо к бывшим соратникам, распространенное в Польше в октябре 1920 года. Кроме того, он проник в террористическую польскую группу и сорвал планировавшееся ею покушение на Тухачевского. (Подозрительным в этой последней истории являлось то, что Сосновский сам же был вожаком этой группы.) Как бы то ни было, за свои подвиги он уже в 1921 году получил орден Красного Знамени, а также по рекомендации Артузова и видных польских коммунистов Феликса Кона и Мархлевского вступил в члены РКП(б). В мае того же года он становится сначала помощником, а через год начальником отделения контрразведывательного отдела ГПУ по борьбе с белогвардейским подпольем и террористическими группами. Принимал самое активное участие в ликвидации савинковского подполья, захвате самого Савинкова и в операции «Трест». Интересно, что постепенно он начинает заниматься исключительно борьбой с русской монархической контрреволюцией (может, и правда сработала агитация Мархлевского?).
В 1924 году Сосновский вновь вступает в контакт с польской разведкой — на сей раз это происходит с санкции Артузова. Однако полностью проконтролировать, что и как обсуждал он со своими бывшими коллегами, какой информацией с ними обменивался, естественно, никто не мог. К тому же у польских разведчиков был мощный козырь против него: единственный родственник Сосновского, оставшийся в живых, его родной брат находился в Варшаве.
Несмотря на, мягко говоря, непролетарский образ жизни Сосновского, его барство, многочисленные женитьбы и неразборчивость в связях, Артузов продолжал безоговорочно ему доверять. В том же 1924 году Сосновский был награжден знаком «Почетный чекист». В 1926 году боевым оружием — маузером. После ликвидации контрразведывательного отдела Артузов берет Сосновского своим помощником в секретное оперативное управление ОГПУ. С 1930 года он — начальник контрразведки в Белоруссии, затем — в Центрально-Черноземной области. В 1934 году возвращается в Москву.
Вся эта блестящая карьера протекает на фоне непрекращающихся заявлений со стороны его же коллег по работе о том, что Сосновский ведет аморальный образ жизни, что он чуждый, чужой человек, что ему нельзя доверять и т. д. Однако ничто его не берет! Судя по всему, Сосновскому очень покровительствовал Ягода, сразу после падения которого, в декабре 1936 года, он, к тому времени уже комиссар госбезопасности третьего ранга (что примерно соответствует званию генерал-майора) был арестован. Его имя многократно упоминалось на февральско-мартовском пленуме ЦК ВКП(б) — не менее часто, чем его бывшего начальника Молчанова, возглавлявшего в свое время секретно-оперативный отдел. Сосновский начиная с мая 1937 года дает признательные показания. Однако в них он умудрился навредить своим бывшим коллегам, оговорив массу людей, в результате чего Ежов и фактически вершивший все дела от имени «кровавого карлика» его заместитель Фриновский смогли развернуть огромное дело об агентуре ПОВ в СССР, по которому были уничтожены тысячи поляков.