Mannen sägs ha försökt samla in uppgifter om ett tyskt parlamentsutskott som utreder påståenden om amerikansk spionage.
Tyska myndigheter har bett USA:s ambassadör om "snabbt klargörande".
USA:s nationella säkerhetsbyrå anklagades förra året för att ha buggat kansler Angela Merkels telefon som en del av ett enormt övervakningsprogram.
Omfattningen av byråns globala spionprogram avslöjades i dokument som läcktes förra året av en före detta underrättelseentreprenör, Edward Snowden.
Uppenbarelserna om NSA satte press på banden mellan Tyskland och USA och väckte känslor i Tyskland mot amerikansk övervakning.
BBC:s Steve Evans i Berlin säger att den nya anklagelsen om amerikansk spioneri på en allierad kan göra det svårare för USA att få tysk hjälp i sina ansträngningar att motsätta sig rysk verksamhet i Ukraina, och även att kontrollera Irans kärnvapenambitioner.
Tysk media säger att mannen som greps den här veckan är en 31-årig anställd av den federala avdelningen, BND eller Bundesnachrichtendienst.
Den tyska åklagaren bekräftade gripandet, men gav inga andra detaljer.
En talesman för Angela Merkel sade att hon hade informerats om gripandet, liksom ledamöterna i den niostarka parlamentariska kommitté som undersökte de utländska underrättelsemyndigheternas verksamhet i Tyskland.
"Det är allvarligt, det är klart," talesman Steffen Seibert berättade Frankfurter Allgemeine tidningen,
Der Spiegel tidning sa att mannen tros ha lämnat hemliga dokument till en amerikansk kontakt i utbyte mot pengar.
Men en namnlös politiker berättade för Reuters nyhetsbyrå att den misstänkte hade erbjudit sina tjänster till USA frivilligt.
"Det här var en man som inte hade någon direkt kontakt med utredningskommittén... Han var ingen toppagent", sade källan.
Tyskland är särskilt känsligt för rapporter om spionage på sitt territorium eftersom många av dess medborgare från den tidigare kommunistiska öst om landet spionerades på av Stasi hemliga polisen.
En anställd vid Tysklands underrättelsetjänst har gripits misstänkt för spioneri för USA, säger rapporter.