Den tyska utrikesförvaltningen uppger att man har vänt sig till ambassadören John B. Emerson med en begäran om "snabba klargöranden" i ärendet.
Den tyska federala åklagarmyndigheten sade i ett uttalande att en 31-årig man har gripits misstänkt för att vara en utländsk spion, men angav inga ytterligare detaljer.
Tyska myndigheter säger att en mannen greps på onsdagen misstänkt för spioneri för utländska underrättelsetjänster. De identifierade inte den misstänkte eller angav för vilka regeringar han skulle ha spionerat.
Tyska tidningar uppger emellertid att mannen arbetade för den tyska underrättelsetjänsten och samtidigt förde vidare information till USA som härrörde från en parlamentarisk kommitté som undersöker amerikanska underrättelseaktiviteter i Tyskland.
Tyska och amerikanska tjänstemän har inte kommenterat rapporterna, men förbundskansler Angela Merkel har informerats om gripandet.
Den tyska regeringen har varit på sin vakt mot amerikansk underrättelseverksamhet sedan den tidigare USA-agenten Edward Snowden läckte dokument som visade att den amerikanska regeringen hade spionerat på tyska medborgare och avlyssnat Angela Merkels mobiltelefon, skriver Voice of America på nätet.
Den gripne spionen har att han lämnat uppgifter till USA från den tyska parlamentariska kommitté som inrättats för att utreda Edward Snowdens spionavslöjanden, uppgav tyska politiker till lokala tidningar.
"Det här var en man som inte hade någon direkt kontakt med undersökningskommittén ... Han var inte en toppagent", sade en av de politiker som uttalade sig anonymt.
Den misstänkte hade erbjudit sina tjänster till USA frivilligt, uppgav källan. Den amerikanska ambassaden i Berlin har avböjt att kommentera händelsen.
Tyskland är särskilt ovilliga att acceptera övervakning som en följd av samhällsklimatet under såväl den östtyska hemliga polisen Stasi som nazisterna, skriver Voice of America. Berlin har krävt att Washington ska acceptera ett avtal om att de båda länderna inte ska spionera på varandra, men USA har inte velat skriva under avtalet med sin tyska allierade.
Tidningen Bild skriver att mannen hade arbetat i två år som dubbelagent och hade stulit 218 konfidentiella dokument.
Han sålde dokumenten – varav tre hade anknytning till arbetet i förbundsdagens undersökningskommitté, för 25.000 euro uppgav Bild med hänvisning till underrättelsekällor.