В конце 1943 года руководитель американских исследовательских работ в этой области Роберт Оппенгеймер, знакомый с трудами К. Фукса и высоко ценивший их, предложил включить его в состав британской миссии, которая должна была участвовать в программе «Манхэттенский проект» по созданию бомбы.
Фукс по приезде в США был передан на связь с агентом резидентуры НКВД Гарри Голдом («Раймонд»), который регулярно встречался с ним в течение пяти месяцев. Полученную информацию «Раймонд» сразу же передавал сотруднику резидентуры Анатолию Яцкову.
Потом Фукс куда-то исчез. Его сестра сообщила Голду, что он срочно выехал на «юго-запад США», но адреса не оставил. Голд вручил ей пакет для Фукса с просьбой что бы он немедленно по возвращении связаться с ним.
«Юго-запад», куда внезапно уехал Клаус Фукс, был секретным городком Лос-Аламосом, где в глубокой тайне трудились сорок пять тысяч учёных (в том числе двенадцать нобелевских лауреатов), инженеров, техников, рабочих, охраняемых специальными воинскими частями. Глава «Манхэттенского проекта» генерал Гровс горделиво заявлял, что «туда и мышь не проникнет». Трудно что-либо сказать насчёт мышей, но советская разведка туда проникла. Помимо Клауса Фукса там трудились ещё несколько советских агентов, и имена ещё не всех из них рассекречены.
В январе 1945 года связь с Фуксом была восстановлена. Он передал расчёты, размеры и чертежи «бэби», как ласково называли атомную бомбу её создатели. Клаус решительно отказался от какой-либо материальной поддержки и просил больше не поднимать разговор на эту тему.
В июне и сентябре 1945 года с Фуксом состоялись ещё две важные встречи, на которых он передал информацию об испытаниях и усовершенствовании урановой и плутониевой бомб.
Клауса Фукса очень высоко ценили в Лос-Аламосе. Глава теоретического отдела «Манхэттенского проекта» Ганс Бетс так охарактеризовал его: «Он один из наиболее ценных людей моего отдела. Скромный, способный, трудолюбивый, блестящий учёный, внёсший большой вклад в успех Манхэттенской программы».
В Лос-Аламосе и после окончания войны продолжалась работа по совершенствованию атомной и по созданию водородной бомбы. Клаус Фукс принимал участие почти во всех этих проектах.
В июне 1946 года английское правительство решило создать собственную атомную бомбу, так как американцы не спешили делиться своими секретами, и попросило вернуться из Америки наиболее ценных специалистов. В их числе оказался и Клаус Фукс.
В Англии он был назначен главой отдела теоретической физики Научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле. Он стал членом многих комитетов и комиссий, связанных с этой проблемой, в том числе комиссии по противоатомной обороне Англии, а также участвовал в решении многих вопросов, связанных с созданием атомной промышленности.
В Англии Фукс был принят на связь сотрудником резидентуры внешней разведки Александром Феклисовым, которому для этого пришлось приобрести познания в области теоретической физики. Фукс понимал трудности молодого разведчика и старался сообщать информацию в доступной для него форме. План каждой встречи с учёным обсуждался и утверждался в Москве.
Клаус говорил, что, судя по вопросам, на которые его просят дать ответ, советские учёные уже стоят на пороге создания собственной атомной бомбы, и он очень рад этому, так как она будет способствовать укреплению мира.
Всего с осени 1947 года по май 1949 года Феклисов провёл с Фуксом шесть продуктивных встреч, после чего тот перестал выходить на связь. Это случилось уже после взрыва советской атомной бомбы.
Американские и английские спецслужбы, поражённые той быстротой, с которой в СССР было создано атомное оружие, бросились искать источники утечки секретнейшей информации. В процессе этих поисков были использованы показания предателя, шифровальщика военного атташе в Оттаве И. Гузенко и другие данные. По ним проходила сестра Фукса Кристель, которая несколько раз встречалась с неизвестным лицом. На этом основании в сентябре 1949 года Фукс был взят в глубокую разработку. Он это почувствовал и перестал выходить на встречи.
По указанию премьер-министра Англии Эттли английская контрразведка приступила к интенсивным допросам Фукса. При этом его не отстраняли от работы, тем самым усиливая психологическое давление на него со стороны коллег, от которых не скрывали, что его допрашивают и подозревают в шпионаже.