В Москве Хэмблтона посчитали перспективным агентом и оказались правы. В 1954 году он приехал во Францию, чтобы защитить в Сорбонне докторскую диссертацию и продолжить научную деятельность в области экономики. Здесь его оператором стал сотрудник парижской резидентуры ПГУ КГБ Алексей Федорович Тришин. Он поставил перед Хэмблтоном задачу — после получения докторской степени устроиться на работу в штаб-квартиру НАТО.
В 1956 году Хэмблтон успешно защитил диссертацию и получил степень доктора экономики. После этого он предложил свои услуги ряду университетов и институтов. Было отправлено такое письмо и в штаб-квартиру НАТО, откуда вскоре пришло приглашение на предварительное собеседование. В ходе собеседования Хэмблтон сумел показать себя знающим специалистом и уже летом 1956 года приступил к работе в экономическом управлении НАТО. В штаб-квартире альянса Хэмблтон занимался анализом экономического потенциала стран — членов Североатлантического договора и имел доступ к самой секретной информации. Поэтому материалы, которые он передавал Трищину, отражали очень важные моменты политики западных стран: ядерную стратегию НАТО, создание перспективных систем вооружения, оценку последствий военного столкновения между Востоком и Западом и т.д. Для обработки материалов, поступающих от Радова (таков был новый псевдоним Хэмблтона), в парижской резидентуре было создано отдельное подразделение, а для их копирования оборудован специальный автофургон-фотолаборатория, где документы переснимались прямо на месте их передачи Тришину. Всего за время своей работы в НАТО в период с 1956 по 1961 год Хэмблтон передал более 1200 секретных документов и аналитических отчетов, включая имеющие гриф секретности «cosmic». Надо отметить, что так же, как и Пак, Хэмблтон отказался от денежного вознаграждения, а работал по идеологическим мотивам.
В мае 1961 года Хэмблтон уволился из НАТО и перешел на работу сначала в Лондонский институт экономики, а потом в Лавальский университет в Квебеке. После этого значимость Хэмблтона как агента несколько понизилась, но информация, поступавшая от него, продолжала оставаться важной и точной. Так, в 1967 году он по заданию ПГУ КГБ составил аналитический отчет, характеризующий экономику континентального Китая, который получил в Москве самую высокую оценку. С 1970 по 1979 год Хэмблтоном было представлено три отчета, в которых убедительно доказывалось, что Израиль обладает ядерным оружием, а ЮАР способна производить его. Кроме того, он был единственным из известных в настоящее время советских агентов, с которым лично встречался в Москве председатель КГБ Юрий Владимирович Андропов. Эта встреча произошла в июне 1975 года на конспиративной квартире. В ходе продолжительного разговора Андропов задал Хэмблтону много вопросов по интересующим его проблемам, а затем лично поблагодарил за проделанную работу.
Провал Хэмблтона произошел в 1979 году, и случилось это не по его вине. Дело в том, что в 1977 году в результате предательства Гордиевского в США был арестован нелегал ПГУ КГБ полковник Людек Земенек, который проживал в Нью-Йорке под именем Рудольфа Германа. Федеральные агенты поставили Земенека перед выбором — либо он, его жена и старший сын Петер, также работавшие на КГБ, подвергаются аресту, либо он начинает сотрудничать с ФБР в обмен на отказ от судебного преследования. Земенек выбрал второе и стал агентом-двойником. Рассказал он и о Хэмблтоне, к которому его несколько раз посылали в качестве курьера. В результате Хэмблтон попал под наблюдение канадской контрразведки и в сентябре 1979 года был арестован по подозрению в шпионаже в пользу СССР.
Но так как Хэмблтон не совершал никаких противозаконных действий на территории Канады и не разглашал никаких канадских секретов, власти не решились передать дело в суд. Хэмблтону предложили в обмен на отказ от судебного преследования дать показания о своей работе в качестве агента КГБ. Хэмблтон пошел на эту распространенную на Западе сделку с правосудием, но при этом постарался о многом умолчать. В результате следствие по его делу было прекращено и Хэмблтон остался на свободе. Но ему дали понять, что если он окажется, к примеру, в США или Англии, то его неминуемо ждет арест.