ב-1984 הצטרף לשורות המוסד למודיעין ותפקידים מיוחדים. את מרבית שנות שירותו בארגון עשה בתפקידים מבצעיים ופיקודיים באגף "קשת" העוסק באיסוף מודיעין באמצעים אלקטרוניים, בין היתר על ידי הצבת מתקני ציתות ומעקב. את דרכו באגף החל כלוחם בדרג שטח ובהמשך התקדם לתפקידי פיקוד. במהלך שירותו במוסד השלים לימודים במכללה לבטחון לאומי.
ב-1991 נעצרו הוא ושלושה סוכני מוסד נוספים בקפריסין על ידי המשטרה המקומית. על פי פרסומים בעניין זה הארבעה אשר התחזו לתיירים, נעצרו במהלך מבצע להצבת מתקני ציתות בשגרירות איראן בניקוסיה. לאחר המעצר הואשמו ארבעת הסוכנים בעבירות של ריגול, פריצה, הסגת גבול ועבירות נוספות, אולם הורשעו בעבירת הסגת גבול בלבד, נענשו בתשלום קנס והורשו לשוב לישראל. על פי הפרסומים בעניין, לעונש הקל ושחרורם של הארבעה, קדם משא ומתן חשאי בין ישראל ושלטונות קפריסין.
בשנת 2004 מונה לראש אגף "קשת", במהלך כהונתו בתפקיד חשף המוסד מידע בנוגע לקיומו של כור גרעיני בסוריה וזה הופצץ על ידי ישראל ב-2007. ב-2009 מונה לסגן ומשנה לראש המוסד (באותה עת – מאיר דגן). ב-2011 הושאל לצה"ל על מנת שישמש כמתאם מבצעים מיוחדים. לאחר מכן יצא לארצות הברית ושימש כעמית מחקר בכיר במרכז סבן למדיניות המזרח התיכון במכון ברוקינגס, בוושינגטון.
בשלהי 2014 מונה על ידי השר יובל שטייניץ למנכ"ל המשרד לענייני מודיעין והמשרד לנושאים אסטרטגיים. ב-2015 התמודד על משרת ראש המוסד ונמנה על שלושת המועמדים המובילים לתפקיד, מהם נבחר לבסוף יוסי כהן. לאחר שנודע כי לא זכה בתפקיד פרש משירות המדינה ופנה למגזר העסקי.
ב-2016 מונה לנשיא חברת "המימד החמישי" העוסקת בפיתוח מערכות בינה מלאכותית לעיבוד מידע מודיעיני. בדצמבר 2018 הודיעה החברה על סיום פעולתה וכל עובדיה פוטרו. מכהן כנשיא חברת ייעוץ בטחוני בשם "פורטיפיי סולושונס", כמו כן מכהן כדירקטור במספר חברות נוספות.
בינואר 2018 הודיע על הצטרפות למפלגת "יש עתיד". בבחירות לכנסת ה-23 ושלוש בשנת 2020 הוצב במיקום ה-26 ברשימת "כחול לבן" ונכנס לכנסת לאחר שהמפלגה זכתה ב-33 מנדטים. במהלכה, היה חבר בוועדת הכספים וועדת הפנים והגנת הסביבה. בבחירות לכנסת העשרים וארבע בשנת 2021, הוצב במקום ה-10 ברשימת "יש עתיד" לכנסת, ועם השבעת הממשלה מונה ליושב ראש ועדת החוץ והביטחון עד להשבעת הכנסת ה-25.
