После более близкого знакомства Михайлов предложил Клеточникову устроиться в Третье отделение с целью информирования революционеров о деятельности охранки, так как он имел безупречное прошлое и опыт работы чиновником. 8 марта 1879 года Клеточников был назначен в агентурную часть Третьего отделения чиновником для письма, где проявил себя с лучшей стороны.

После того как Третье отделение было упразднено, а его функции переданы Департаменту полиции, в декабре 1880 года он был назначен младшим помощником делопроизводителя всего Департамента полиции. Позднее в обвинительном акте было отмечено, что Клеточников «был посвящен во все политические розыски, производившиеся не только в С.-Петербурге, но и вообще по всей империи». Ему доверялись сбор, пересылка и хранение секретной информации; он «имел при себе ключи от шкафов с перлюстрацией, от сундучка с бумагами особой секретности и от шкафа с запрещенными книгами».

Революционный центр своевременно узнавал от него о предстоящих арестах революционеров и о предательских показаниях арестованных. Николай Васильевич называл революционному центру имена тех, кто разыскивался полицией, кому грозил обыск, кто включен в списки подозрительных и за кем следят. Благодаря полученной информации «Народная воля» сумела, насколько это было возможно, обезвредить последствия откровенных показаний арестованных террористов — народовольцев А.Ф. Михайлова и Г.Д. Гольденберга[18],[19].

20 апреля 1880 года царь Александр II по представлению М.Т. Лорис-Мешкова пожаловал Клеточникову орден Святого Станислава 3-й степени. Полковник В.А. Гусев, генерал Г.Г. Кириллов и директор Департамента полиции В.К. Плеве после ареста Клеточникова вынуждены были признать, как это отмечено и в обвинительном акте по его делу, что он «в продолжение всей своей службы отличался особенным усердием и пользовался полным доверием начальства». Клеточников вел особо секретные расчетные книги по выдаче «заработной платы» и наградных агентам сыска. В книгах указывались полностью фамилия, имя и отчество агента, его сыскной стаж и конкретные услуги, которые надлежало просто оплатить или поощрить наградой. Имея дело с таким материалом, Клеточников регулярно называл товарищам имена агентов, их маскировочные клички, приметы и адреса, сообщал, какие задания получает тот или иной агент и что он докладывает начальству. Эти сведения, которые сами по себе имели чрезвычайное, порой спасительное значение для революционной организации, Николай Васильевич дополнял колоритными портретами каждого из агентов, описывал их внешность, характер, привычки. За время работы в полиции Клеточникову удалось получить компрометирующие материалы на 385 человек, из которых 115 являлись постоянными секретными сотрудниками. Революционеры, узнав о секретных сотрудниках в своих рядах, принимали предупредительные меры. Сведения о некоторых агентах, из числа наиболее опасных, они предавали огласке. Так, в первом номере газеты «Народная воля» от 1 октября 1879 года на первой странице было опубликовано следующее объявление: «От Исполнительного комитета. Исполнительный комитет извещает, что Петр Иванович Рачковский (бывший судебный следователь в Пинеге и в настоящее время прикомандированный к министерству юстиции, сотрудник газет «Новости» и «Русский еврей») состоит на жалованье в III Отделении. Его приметы: рост высокий, телосложение довольно плотное, волосы и глаза черные, кожа на лице белая с румянцем, черты крупные, нос довольно толстый и длинный; на вид лет 28—29. Усы густые, черные. Бороду и баки в настоящее время бреет. Исполнительный комитет просит остерегаться шпиона». Подобным же образом были «прорекламированы» агенты Третьего отделения К.И. Веланов, В.М. Воронович, В.А. Швецов и несколько других. Чтобы не навлечь подозрение властей на Клеточникова, революционеры старались не злоупотреблять такими публикациями. Они использовали другой подход: засветившегося агента брали на учет, его остерегались, но за ним устанавливали слежку и, таким образом, иногда выявляли новых осведомителей.

Если осведомитель становился слишком опасным, то революционеры из «Земли и воли» и «Народной воли» его уничтожали. Так был уничтожен агент Третьего отделения Николай Рейн-штейн, петербургский слесарь, член «Северного союза русских рабочих». Рейнштейн выдал организатора «Северного союза» Виктора Обнорского и много других революционеров, провалил московский филиал «Северного союза» и напал на след типографии «Земли и воли», за обнаружение которой правительство назначило приз в 10 тысяч рублей. Выданный революционерам Клеточниковым он был убит по заданию центра «Земли и воли» 26 февраля 1879 года в номере московской гостиницы. Его убийцы Попов, Н.В. Шмеман и другие на трупе оставили записку следующего содержания: «Николай Васильев Рейнштейн, изменник, шпион, осужден и казнен русскими социалистами-революционерами; смерть иудам-предателям!»

Судьбу Рейнштейна разделил и другой предатель — наборщик типографии «Черного передела» Александр Жарков. Он был арестован полицией с полным чемоданом номеров газеты «Народная воля», смалодушничал, вызвался служить Третьему отделению и для начала указал адрес чернопередельческой типографии. Его выпустили из-под ареста, чтобы использовать в качестве провокатора. Однако чернопередельцы, увидев его на воле, заподозрили неладное, так как знали, что Жарков был задержан при перевозке запрещенных газет. Редактор «Черного передела» Осип Аптекман рассказал о своих подозрениях члену Исполнительного комитета «Народной воли» Марии Ошаниной, а та немедленно сообщила о случившемся Клеточникову, который в тот же день узнал о предательстве Жаркова и сообщил детали товарищам. Предательство Жаркова угрожало как «Черному переделу», так и «Народной воле», поскольку Жарков знал не только всех чернопередельцев, их конспиративную квартиру и типографию, но и некоторых народовольцев, с которыми он встречался в квартире Аптекмана. Решено было переменить все известные предателю адреса, а его самого уничтожить. Однако спасти типографию не удалось, по указанию Жаркова она была захвачена жандармами. Жарков спустя неделю был убит М.Ф. Грачевским и другими революционерами. Все, что Клеточников записывал или сообщал на встречах, землевольцы переписывали, а оригиналы уничтожали. Копии записей Клеточникова Морозов уносил в архив «Земли и воли», а затем и «Народной воли», который хранился в квартире писателя Владимира Рафаиловича Зотова, числившегося в Третьем отделении и Департаменте полиции в числе благонамеренных. После ареста Михайлова Клеточников потерял опытного наставника и вскоре попал «ловушку. Его судили на знаменитом процессе 20-ти. «Клеточников ведет себя прекрасно, решительно и достойно, — писал А.Д. Михайлов друзьям на волю в дни суда. — Он говорил спокойно, хотя председатель палачей набрасывался на него зверем. Выставленные им мотивы истинны и честны».