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1929年，由访问苏联的[[周恩来]]安排，进入苏联国家政治保卫局（简称格别乌）受训。1929年10月到1938年3月，奉派到[[西伯利亚]]国家安全部门工作师哲本来按计划要在1931年回上海，但顾顺章叛变导致上海的中共中央机关受到破坏，师哲回[[上海]]的计划从而落空。师哲原拟回国到湘鄂西苏区贺龙部队任政治干部，受阻后中共中央改派夏曦前往（夏曦后来在湘鄂西苏区推行了极左的肃反）。在西伯利亚国家安全部门，师哲的主要任务是审查间谍及监视处置越境的中国人。中国抗日将领[[马占山]]赴苏联后被宣布为汉奸，曾吓得跪在师哲面前，后来师哲曾充当软禁马占山的“监护人”。师哲晋升为上校，获得了苏联名字“卡尔斯基”及苏共预备党员身份 <ref>[http://epaper.gmw.cn/wzb/html/2014-07/19/nw.D110000wzb_20140719_1-06.htm?div=-1 师哲的多重人生]，光明网， 2014-07-19</ref> ，并作为办案人员亲历苏联大清洗。在大清洗中，师哲的老上司、西伯利亚内务部部长被枪决；曾领导过师哲的科长及处长失踪；一位年轻同事仅因和师哲打了场[[网球]]而被人诬称与日本领事馆人员来往，在办公室用枪自杀；曾任中共旅莫斯科支部书记、与师哲同在格别乌长期共事的王人达被捕流放（1950年代师哲陪中共领导人到苏联，寻获王仁达下落，王仁达1956年回到北京，不久病逝）。

1940年3月25日，师哲到达[[延安]]，首次见到[[毛泽东]]。回国初期，师哲是共产国际的观察员，观察汇报即将召开的中共七大情况。因中共七大一再推迟，共产国际多次捎信要师哲回莫斯科。1943年共产国际解散，师哲的观察员使命消失。但在中共同莫斯科的电讯和书面联络中，师哲仍是重要联络人，其中包括同苏联驻延安代表弗拉基米洛夫（《延安日记》的作者）联络。在延安，师哲名为任弼时秘书，实为毛泽东的俄文翻译 <ref>[http://www.jyb.cn/book/rwsj/200912/t20091224_332001.html 《我的一生——师哲自述》：老实师哲]，中国教育新闻网，2009-12-24</ref> ，负责毛泽东同斯大林的电报来往及毛泽东接见苏联来客的[[翻译]]任务。师哲亲历了中共同苏联就皖南事变、整风运动、重庆谈判等事件来往电报的翻译工作。