Bước vào kỷ nguyên kỹ thuật số, vai trò truyền thống của các hoạt động gián điệp như thu thập thông tin, liên lạc và phân tích thông tin (gồm cả mã thám) bao gồm công tác phản gián đã có những thay đổi theo những hình thức và quy mô mà trước đây không ai có thể hình dung được. Những thay đổi cơ bản đó được thể hiện như sau:

Về thu tin tình báo
Việc triển khai chương trình vệ tinh “Keyhole” hơn 30 năm trước đã giúp Mỹ có khả năng quan sát được gần như mọi sự kiện xảy ra trên mặt đất theo thời gian thực. Gần đây, sự phát triển vượt trội và nhanh nhạy về khả năng xử lý thông tin của máy tính đã giúp các “điệp viên trên trời” này có thể dễ dàng giám sát trái đất 24/24 giờ, bất kể những cản trở thường gặp như mây mù, mưa bão hay bóng đêm. Bằng việc sử dụng các camera hồng ngoại, rada và các thấu kính cảm biến hiện đại nhất, các vệ tinh này có thể quan sát được các vật thể di động và cố định với đường kính cỡ chỉ một vài inch trên mặt đất. Vai trò của các vệ tinh tình báo này còn được hỗ trợ bởi các máy bay do thám không người lái với công nghệ tàng hình, làm cho việc theo dõi chúng bằng rada từ mặt đất cực kỳ khó khăn.
Những “vệ tinh thời tiết” này có khả năng nghe và thu nhận được tất cả các dạng tín hiệu truyền thông qua lại trên trái đất. Các loại sóng cho việc truyền dữ liệu điện thoại, trải phổ nhảy tần... được sử dụng ngày càng phong phú đã tạo điều kiện cho các loại ăng ten cực nhạy trên các
vệ tinh thu thập hết, sau đó truyền về các trạm trên mặt đất để phân tích và giải mã (nếu cần). Các phần mềm nhận dạng tiếng nói đã được các cơ quan tình báo sử dụng hơn 30 năm nay để tích hợp với khả năng của trí tuệ nhân tạo nhằm chắt lọc những thông tin quan trọng, từ đó phát hiện ra những bí mật đang được truyền qua lại trên thế giới.
Internet đang trở thành một xa lộ thông tin mở và làm thay đổi về căn bản cách thức thu thập thông tin tình báo. Một cựu quan chức tình báo của CIA, ông Sherman Kent, tác giả của cuốn sách: “Tình báo chiến lược đối với chính sách Toàn cầu của Mỹ” đã khẳng định rằng: “Khoảng 90% những bí mật tình báo đều có thể thu được từ các nguồn tin mở trên hệ thống Internet”. Vấn đề là chọn lọc và khai thác núi thông tin khổng lồ đó như thế nào. Trí tuệ con người cùng với sức mạnh của hệ thống máy tính có khả năng phân tích hàng tỷ tỷ bit dữ liệu để phát hiện ra những thông tin bí mật chứa trong đó. Hơn nữa, các trình duyệt Internet mạnh và các “gián điệp” phần mềm máy tính “lang thang” trên không gian điều khiển học để tìm cách truy cập vào các máy tính hay mạng máy tính đã và đang hứa hẹn về một thế hệ “điệp viên” mới vô hình rất đặc biệt. Các chuyên gia máy tính có thể tạo ra nhiều “điệp viên” vô hình như vậy để cài cắm vào các máy tính đối phương, nhằm thu thập thông tin thiết yếu theo yêu cầu định sẵn. Tuy vậy, không có nghĩa vai trò con người trong việc thu thập thông tin tình báo đã bị lu mờ hoặc kết thúc, mà ngược lại dù máy móc có tinh vi đến đâu thì người giỏi nghiệp vụ tình báo và đồng thời có khả năng sử dụng tốt các công cụ tình báo hiện đại vẫn đóng vai trò quyết định.

Về thông tin liên lạc
Người ta đã tổng kết được rằng, nguy cơ bị lộ cao nhất khi tham gia hoạt động tình báo trên lãnh thổ đối phương không phải là khi lấy cắp thông tin mật của đối phương mà chính là sự sơ hở trong quá trình thông tin liên lạc hoặc tiếp xúc với cấp trên. Cho dù được ngụy trang dưới  hình thức tinh xảo nhất, mắt xích liên lạc vẫn là điểm yếu mà cơ quan phản gián nhắm tới khi muốn kiểm tra một đối tượng đáng ngờ nào đó. Việc mạng lưới điệp viên Nga hoạt động ở Mỹ bị phát hiện năm 2011 vừa qua, một phần quan trọng là do những sơ xuất của các nhân vật này khi tìm cách liên lạc về Trung tâm Tình báo Nga ở Matxcơva bằng kỹ thuật “giấu tin mật trong ảnh số” (steganography) mặc dù đã rất tinh vi. Hai điệp viên quan trọng của Nga là John Walker (1985) và Aldrich Ames (1994) bị bắt giữ bởi sơ hở khi tìm cách liên lạc với cấp trên của họ. Người ta đã tính được rằng, hiện nay các thông tin thu được từ các điệp viên được chuyển về nước (hoặc về cơ sở tình báo) qua Internet chiếm đến 90%. Ngoài ra, các công nghệ mã hóa cao cấp cũng góp phần tạo ra những lớp rào chắn hữu hiệu cho việc bảo vệ thông tin bí mật được truyền đi trên Internet. Mười năm trở lại đây đã bắt đầu phát triển kỹ thuật giấu tin mật trong đa phương tiện (multimedia) mà điển hình là giấu tin vào trong ảnh số. Với một ảnh màu chân dung kích cỡ 4x6 cm có khả năng giấu được một khối lượng dữ liệu mật khoảng 19 trang giấy A4 mà mắt thường không thể phát hiện được. Những ảnh đã được giấu này được các điệp viên gửi cho lãnh đạo của họ qua Internet mà cơ quan phản gián đối phương khó có thể phát hiện ra.

Về phân tích dữ liệu (Thám mã)
Với sự ra đời và phát triển các vệ tinh quỹ đạo và địa tĩnh cùng các thiết bị nghe - nhìn hiện đại thì việc thu thập dữ liệu mật không còn quá khosó khăn đối với các cơ quan tình báo. Vấn đề mới mà họ gặp phải là làm thế nào để có thể chọn lọc và phân tích được dữ liệu thu thập được gần như 24/24 giờ trên khắp

thế giới từ các cơ sở tình báo. Hơn thế nữa, thời gian sống của thông tin bí mật không phải là vô hạn. Vậy làm sao có thể trích chọn và phân tích một cách nhanh chóng những thông tin bí mật nhưng vô giá đó để chúng được sử dụng kịp thời? Trước đây, đội ngũ chuyên gia giỏi và đầy kinh nghiệm đảm bảo nhiệm vụ này. Từ lâu, họ vẫn được coi là những “chiến sĩ vô danh” trong thế giới tình báo. Họ âm thầm thu thập và phân tích các dữ liệu mật thu được trên toàn thế giới. Nhiều thông tin vô giá trong lĩnh vực quân sự, an ninh, ngoại giao... đã được phân tích, tổng hợp và trình lên các cấp lãnh đạo. Tuy nhiên, khả năng của những người đó quả thực là quá nhỏ bé so với số tài liệu thu được. Để giúp họ giải quyết khó khăn này, các máy tính, nay là siêu máy tính với hàng tỷ tỷ phép tính dấu phẩy động trên một giây đã ra đời và kết nối với nhau thành một mạng lưới tương tự như hệ thống thần kinh con người, giúp đưa ra những kết luận nhanh chóng và chính xác. Mới đây, Mỹ vừa công bố cho ra đời một máy tính mạnh nhất – siêu máy tính có tốc độ tính toán cỡ 20 petaflop (mỗi petaflop bằng một triệu tỷ phép tính dấu phẩy động trong một giây) phục vụ nhiều yêu cầu khác nhau trong đó có công tác phân tích mật mã.

Về hoạt động phản gián
Đối mặt với những lợi thế vượt trội như  của các hoạt động tình báo, các cơ quan phản gián bắt buộc phải thích nghi và đẩy mạnh việc ứng dụng các thiết bị số hóa nhằm truy bắt gián điệp. Họ cần phải sử dụng các mạng máy tính hiện đại nhất với những cơ sở dữ liệu lớn để phân tích thông tin về các cá nhân, tổ chức bị nghi ngờ để lần ra dấu vết của những tên tội phạm. Hoạt động phản gián cũng có những lợi thế trong thời đại kỹ thuật số. Việc tạo ra vỏ bọc cũng như làm giả lý lịch cho những điệp viên nằm vùng khó khăn hơn nhiều trong thời đại kỹ thuật số, khi Internet đang trở thành một công cụ tra cứu và xác minh có hiệu quả. Những giấy tờ cá nhân được trang bị cho các điệp viên chỉ là cơ sở ban đầu để cơ quan phản gián tra cứu từng chi tiết tỉ mỉ nhất như hóa đơn nộp thuế, phiếu bầu cử, phiếu kiểm tra tư cách hội viên của những tổ chức mà điệp viên đó tham gia.... Tất cả những thông tin đó được cung cấp nhanh chóng nhờ các cơ sở dữ liệu khổng lồ được kết nối qua Internet. Như vậy, việc tạo “vỏ bọc” cho các điệp viên cũng cần thay đổi rất nhiều trong thời đại số hóa này, nếu không muốn bị lộ trước cơ quan phản gián.