1928年4月初，周恩来在上海秘密会见陈赓，交予陈赓一项重要任务：组建中共中央特科情报科，负责搜集情报，掌握敌情，对敌人侦探机关进行反间谍工作。1929年底，刘鼎任情报科副科长，做陈赓的副手。刘鼎不但擅长化装、跟踪、侦查、情报传递等特工技能，其记忆力还极强，能够记住整本复杂的译电密码，还精通地下无线电台。

刘鼎的妻子吴先清，1904年出生于浙江临海，1924年加入中国共产党，起初在中共江苏省委的领导下，秘密从事妇女运动，深入浦东地区开展工作。1930年夏，吴先清调到中央特科，在刘鼎领导下负责地下交通工作。吴先清利用自己家乡的特产黄岩蜜橘，在小街巷口开了一间水果店作掩护。夫妻俩相互配合，刘鼎负责用无线电台与各有关部门联络，吴先清负责保管和传送中央文件与情报。

刘鼎在中央特科具体负责与杨度联系。杨度是个传奇人物，曾因拥护袁世凯称帝而被通缉，后来却倾向革命，1929年秋加入中国共产党，成为秘密党员。杨度在军阀政客中颇有影响，刘鼎因此获得许多政治情报，并建立了与国民党改组派及青红帮头子杜月笙的联系，从而了解国民党高层动向。与此同时，吴先清也通过弟弟的关系与国民党上海市党部委员陈宝骅交往频繁，获得了敌人内部大量的核心机密。

情报工作险象环生。1931年4月，中共中央特科行动三科科长、中共情报三巨头之一的顾顺章叛变。由于顾领导的行动三科专门负责消灭叛徒和武装对付国民党特工，所以对中共在上海的组织了如指掌。顾顺章叛变后，虽然有钱壮飞的抢先汇报，但中共在上海组织仍然受到沉重打击，前后被捕的共产党员有800人之多。恽代英、蔡和森等先后遇难。刘鼎身处恐怖气氛，仍全心投入对付叛徒和消除隐患的一系列紧张战斗中。 

1931年10月，刘鼎在一个公园内被捕，敌人当即逼问其住址和同党。刘鼎为保护同志，以提供假地址和拖迟时间的方法应付敌人，使吴先清和其他地下党员得以及时转移。

为了营救刘鼎，吴先清动用了一切可以动用的力量。她请嫂嫂孙儒珍赴南京拜访国民党军界的故旧，嫂嫂又辗转找到国民党空军司令疏通关系。1932年夏，吴先清姑嫂二人到狱中向刘鼎传达党组织指示：“可以用灵活的方式争取早出狱，登报也可以。或打入南京敌特组织秘密工作，或回上海党内工作，由你自己酌情处理。”1932年9月，刘鼎经康泽等人出面作保，获释出狱。刚出监狱大门，他就开始发挥特工专长，从旅馆悄悄溜出，甩掉“尾巴”，赶回上海，与吴先清接头后，重新与党组织接上关系。

此后，这对伉俪红色特工分别战斗在各自的岗位上，为革命胜利作出了重要贡献。