Al producirse el golpe militar del 24 de marzo de 1976 que dio origen al llamado Proceso de Reorganización Nacional Alfredo Astiz fue asignado a la Escuela de Mecánica de la Armada ( ESMA), donde se organizó un centro clandestino de detención y un Grupo de Tareas para realizar operaciones ilegales encubiertas.
El Grupo de Tareas realizó gran cantidad de secuestros ilegales, de las cuales menos de un 5% sobrevivieron. Como fue contado en detalle por otro represor de la ESMA, Adolfo Scilingo, el modo básico de hacer desaparecer definitivamente a los detenidos, era a través de los denominados «vuelos de la muerte», en los cuales se dopaba con una dosis de pentothal a los detenidos-desaparecidos y se los arrojaba vivos al mar desde aviones militares.
A Alfredo Astiz se le encomendó la tarea especial de infiltrarse en las organizaciones de derechos humanos y en especial en la Asociación Madres de Plaza de Mayo. Bajo el nombre falso de Gustavo Niño y simulando ser familiar de un detenido-desaparecido, solía acompañar a las madres y otros activistas de los derechos humanos, en sus reuniones y actividades en la iglesia Santa Cruz perteneciente a los padres pasionistas, en el barrio San Cristóbal de Buenos Aires
En diciembre de 1977 se tomó la decisión de hacer desaparecer al grupo de derechos humanos que se reunía en la iglesia Santa Cruz, en gran medida debido a que la exposición de Astiz había sido muy alta. Entre el 8 y el 10 de diciembre el Grupo de Tareas 332 secuestró y detuvo clandestinamente al grupo de Santa Cruz: Azucena Villaflor de Vicenti, Esther Ballestrino de Careaga, María Ponce de Bianco (las tres fundadoras de Madres de Plaza de Mayo), las monjas francesas Alice Domon y Léonie Duquet, y los activistas de derechos humanos Ángela Auad, Remo Berardo, Horacio Elbert, José Julio Fondevilla, Eduardo Gabriel Horane, Raquel Bulit y Patricia Oviedo.
Durante el operativo Astiz siguió aparentando ser un familiar y fue señalando con un abrazo en el atrio de la iglesia a quienes debían ser secuestrados, al mejor estilo Judas Iscariote. Los doce miembros de la iglesia Santa Cruz fueron torturados y asesinados al ser arrojados al mar en un vuelo de la muerte. Durante varios años se consideró que Gustavo Niño "el ángel rubio". era un desaparecido y se lo incluyó en las listas por cuyas vidas se reclamaba.
El 26 de enero de 1977 el Grupo de Tareas 332 de la ESMA detuvo a Norma Burgos, esposa de un alto dirigente de la organización guerrillera Montoneros. Un grupo, en el que se encontraba Astiz, permaneció en la casa de Norma Burgos con el fin de esperar la llegada, al día siguiente, de María Antonia Berger, otra alta dirigente de Montoneros. Al día siguiente, a las 8:30 de la mañana, una joven de 17 años, rubia y de ojos celestes, llamada Dagmar Hagelin, amiga de Norma Burgos, llegó a su casa a saludarla. Debido al tipo nórdico de Dagmar Hagelin, el Grupo de Tareas pensó que era la dirigente montonera que esperaban, y en cuanto traspasó la puerta del jardín le apuntaron con las armas. Al intentar huir la joven fue herida de bala e introducida en el baúl de un auto. Dagmar fue vista con vida en la ESMA, perdiéndose todo rastro luego de marzo de 1977.
La desaparición de las monjas francesas Léonie Duquet y Alice Domon y de la joven argentino-sueca Dagmar Hagelin produjo un involucramiento activo y directo de los gobiernos de Francia y de Suecia, respectivamente, para exigir al gobierno argentino información concreta sobre las tres mujeres desaparecidas. En el caso de Dagmar Hagelin incluso reclamaron enérgicamente el presidente de los Estados Unidos James Carter y el Papa Juan Pablo II.
Durante la guerra del Malvinas, Astiz fue destinado a las Islas Georgias del Sur al frente de un grupo comando llamado Los Lagartos. Pero su heroísmo estaba destinado a otras tareas, a los pocos días se rindió sin dispirar un sólo tiro.