美军观察组的使命是搜集日军和共产党的情报，掌握共产党潜在的抗日力量，救助坠落的美军飞行员，为美军基地提供气象信息等，并探讨美军与中共合作问题。中国共产党以真挚友好的态度协助美军观察组开展工作，赢得了美军观察组的信任和支持。
经过一段时间的初步了解和准备后，美军观察组即分头开展工作。军事方面的工作由包瑞德负责，政治方面的工作由谢伟思和卢登负责（后谢伟思奉召回美期间，由戴维斯到延安代替其工作）。中共方面为他们开展工作提供了种种方便。
为使美军观察组的成员尽可能地了解抗日根据地的情况，中共方面专门组织安排了八路军、新四军和边区政府等有关方面的负责人，向他们全面介绍中国共产党的各项方针政策和抗日根据地的政治、经济、军事、文化等方面的建设及敌后战场的作战情况。中央军委参谋长兼八路军参谋长叶剑英全面介绍了共产党军队在华北、华中、华南等地区十几块敌后抗日根据地的斗争情况；八路军副总司令彭德怀介绍了华北战场敌、友、我三方的情况；八路军野战政治部主任罗瑞卿着重介绍了八路军中的政治工作情况；晋察冀军区司令员兼政委聂荣臻介绍了晋察冀地区的军事斗争情况；八路军115师师长林彪着重介绍了八路军的训练情况；八路军120师师长、陕甘宁晋绥联防军司令员贺龙介绍了晋绥抗日根据地的情况；新四军代军长陈毅介绍了新四军的情况；陕甘宁边区政府主席林伯渠、晋冀鲁豫边区政府主席杨秀峰还分别介绍了两个根据地各方面建设的情况；朱德、周恩来等则经常不拘形式地同美军观察组成员进行会见和交谈，尽可能地解答他们提出的各种问题。
为让观察组更多地了解中国共产党领导的军队情况，中共方面还对美军观察组提出的到中共控制区各地、各行业考察的要求给予了最大的满足。8月24日，观察组成员到南泥湾观看了八路军120师359旅的训练；9月14日至11月5日，观察组成员科林、约翰和希契3人到晋绥抗日根据地参观访问，了解美军飞机在遇特殊情况时可紧急着陆的地点，并考察对日军开展情报工作的可能性；10月17日至21日，观察组组长包瑞德去绥德考察了抗日军政大学第二分校；10月9日至11月下旬，观察组成员、军医卡斯伯格与3名西方记者前往晋绥抗日根据地考察八路军前线部队的医疗情况；1944年10月至1945年2月，观察组成员卢登、彼得金、多姆克等5人花了4个月时间，深入晋察冀抗日根据地进行考察，了解八路军的作战能力及中共政权的能力与影响，寻找适宜设立气象设施及小型电台的地点，以便日后搜集气象情报。1945年1月，该小组成员惠特塞在太行山区一个村庄考察时，不幸与日军遭遇，献出了年轻的生命。朱德闻讯后，亲自到美军观察组驻地表示慰问，并将美军观察组使用的餐厅命名为“惠特塞纪念堂”，同时题写了匾额。另外，包瑞德和谢伟思还打算深入苏北新四军根据地考察，因国民党当局从中作梗，未能成行。
八路军战士配合美军使用手摇发电机
叶剑英向中外记者作《中共抗战一般情况介绍》报告
中方和美军人员在惠特塞纪念堂前的合影
与此同时，中共方面还应美军观察组的请求，尽心地帮助其进行情报搜集、气象观测等工作。为加强情报搜集工作，中央军委决定在各战略单位的军区司令部中增设联络处，专门负责向盟军提供战略情报的工作，并根据美方人员提交的所需要的各种情报的清单，及时提供相关情报。1944年8月20日，毛泽东专门致电八路军山东军区、新四军军部，希望他们以尽可能快的速度，搜集日本海军在青岛、烟台、连云港常泊军舰数目及类型，每日进出船舶数目等情报，以便提供给盟军。八路军总部还与美军观察组共同组成了空军小组，负责处理有关空军的情报。为帮助美方人员搞好气象观测，中共方面从延安科学院调来4位年轻同志，以配合其工作。当时美军在成都、昆明、桂林、柳州等地设有空军基地或机场，美军B-29轰炸机经常从这些地方起飞，轰炸日军控制的华东、华北地区，因而急需这些地区的气象情报。美方要求派人去各地的解放区设立气象观测站，这在当时是不可能做到的。后经与中共方面协商，最后就此事达成了协议：由中共方面举办气象测报人员训练班，美方派人员协助训练，美方提供气象观测所需的仪器及无线电通信器材，各地的气象情报资料由中央军委三局统一搜集后交美方。经过培训的中方气象人员陆续来到美军观察组，基本接替了美国人的气象观测工作，由此也产生了我军的第一代气象兵。
沙飞向美军飞行员介绍情况
美军观察组成员在陕甘宁边区和敌后抗日根据地广泛深入地考察，令其感受到了一个完全不同的中国。他们目睹了一个军民团结、斗志昂扬、欣欣向荣、丰衣足食的新天地，并用相机记录下了一个个珍贵的历史镜头。他们对中共方面的安排及所给予的大力支持十分满意。包瑞德曾在其所写的报告中指出：“共产党当局给予了观察组最热心的合作”，他们“毫不犹豫地向我们提供任何方便，在他们控制的任何地区与我们合作，对美国人的旅行未加任何限制”。
按照美方的规定，美军观察组必须定时向美国方面提交报告，报告他们在中国敌后抗日根据地各方面的所见所闻。因此，观察组成员结合自身的经历，在对其所见所闻经过认真地分析思考后，从延安向美国军方和美国国务院发回了大量的有关军事和政治方面的报告。对于中共及其领导的人民抗日武装，美军观察组在报告中几乎一致给予了充分肯定。
1945年5月，王若飞、彼得金和陈毅在延安
1944年7月28日，谢伟思到延安后的第一份报告中写道：“我们来到陕北后，发现这里是中国具有许多现代事物的地方”，“我们的全体成员有一个同样的感觉，好像我们进入了一个不同的国度，遇见了不同的人民”。他认为，在共产党那里，“有一种生机勃勃的气象和力量，一种和敌人交战的愿望，这在国民党的中国是难以见到的”，“共产党在中国之地位，比现存任何团体都高，共产党将在中国生存下去，中国的命运不是蒋介石的命运，未来的中国属于中国共产党，蒋介石的封建的旧中国，不能长期与华北的一个现代化的、有活力和有人民拥护的政府并存”。
被我军营救的美军飞行员写给军部的感谢信
9月30日，包瑞德在其军事报告中，对共产党军队作出了中肯的评价。包瑞德在报告中说共产党的军队“是一支年轻、经受战斗锻炼、受过良好训练、伙食和服装都不错的志愿军，这支队伍本质极好，情报工作水平很高，士气旺盛”。他建议立即决定向中共军队提供援助，还建议向中共各军区司令部提供无线电台，并派驻懂中文的美国军官，直到战争结束。
气象探测是美军观察组的重要任务之一
11月7日，戴维斯在其所写的一份报告中指出：“在长城和扬子江之间，中共已经强大得可以指望在敌后至少能控制华北。共产党的政府和军队，是中国近代史上第一个受到广大人民积极支持的政府和军队。他们之所以能得到这种支持，是因为这个政府和军队是真正属于人民的。”
类似这样的报告还有很多很多。美军观察组认为，在对日战争后期，共产党人能“比蒋介石对我们有用得多”，“可以成为美国有效的盟军”。他们甚至认为目前“中国正处在蒋介石向共产党交权的边缘”，“共产党将在最近几年内成为中国的统治力量”，因为共产党已在中国扎下了根，“中国的命运肯定不属于蒋介石，而是属于他们”，建议美国政府全面支持国共两党。因为他们确信，美国“给中共的援助几乎无疑将使国民党不可能发动内战”，这将能推动中国政治潮流向着达成联合政府的方向发展。美军观察组还将毛泽东、周恩来、朱德等中共领导人会见观察组全体人员及与他们多次谈话的情况和内容报告给美国政府。
美军观察组的这些报告，戳穿了国民党的欺骗宣传，对美国政府和人民更加真实地了解中国共产党及其领导的抗日军队，了解中国社会各方面的情况，无疑具有重大的意义；甚至对美国政府的对华政策一度产生了积极影响，使美国对华政策更加灵活和务实。
陈琪院长看望养伤的美军飞行员
朱德与美军军官泰勒的合影
抗日战争时期，我军同日军在山西遭遇，梅尔文为伤员治伤
美军观察组成员为群众拍照
彭德怀、周幼马、叶向真和美军观察组
新四军师长张爱萍与被我军营救的萨福爱等5名美军飞行员合影
1945年，几名获救被送到延安的美军飞行员准备乘机回国
李达司令员与美军乔治·瓦洛夫机组成员合影