В поисках помощников Пайерлс натолкнулся на Фукса и запроси, разрешение у правительства Британии о привлечении его к секретным работам. В 1941 году Клаус Фукс был включен в группу ученых-физиков работавших над созданием атомной бомбы.
В июле 1942 года Фукс стал подданным Великобритании, получив доступ к совершенно секретным документам, в том числе и к дoнeceниям агента, который работал в Германии в области военных исследований.
Дальнейшую судьбу Клауса Фукса определило секретное соглашение подписанное президентом США С Рузвельтом и премьер-министром Beликобритании У. Черчиллем 19 августа 1943 года, об объединении усилий США и Великобритании.
Сам Роберт Оппенгеймер, высоко оценивший теоретические работы Фукса, порекомендовал включить его в состав английской научной миссии. В декабре 1943 года Фукс в составе британской группы ученых отбыл в США для участия в работе по американской атомной программе и поселился в Нью-Йорке. Вскоре его имя появилось в списке ученых, которым давалось разрешение на посещение различных исследовательских центров «Манхэттенского проекта» без необходимого в таких случаях специального разового разрешения.
В феврале 1944 года Фукс коротко проинформировал советскую разведку о работах «Манхэттенского проекта» и о своем участии в этом проекте.
Вскоре он исчез из Нью-Йорка, внезапно и неизвестно куда. Только в январе 1945 года поступили от него сигналы. Как оказалось, с 14 августа 944 года Клаус Фукс стал сотрудником Лаборатории в Лос-Аламосе, строжайше охраняемой военной контрразведкой и ФБР.
В 1944 году руководитель отдела теоретической физики в Лос-Аламосе Санс Бете пригласил Рудольфа Пайергса возглавить группу, специализировавшуюся на разработке взрывного устройства и динамике ядерного взрыва. Тот не забыл о своем протеже, определил его в группу и поручил расчеты величины критической массы и разработку ИМПЛОЗИИ.
Руководство разведки НКГБ СССР знало о том, что разведка Наркомата обороны завербовала в Лондоне ученого-атомщика и ставила вопрос о передаче этого агента на связь со своей резидентурой. И только после того, как Клаус Фукс стал обитателем «Столовой горы», он был передан «для дальнейшего использования 1-му Управлению НКГБ СССР». Фукс («Отто»), не ведая того, с конца января 1944 года стал агентом другой специальной службы — внешней разведки. Вероятно тогда он и «приобрел» новый псевдоним — «Чарльз».
В феврале 1945 года Клаус Фукс передал Центру объемистый пакет — подробный письменный отчет, в котором суммировал все известное ему о последнем этапе разработки американской атомной бомбы.
Следующее рандеву Фукса со связником состоялось в июне. Клаус Фукс передал тогда письменную информацию о завершении работ по созданию урановой и плутониевой бомб и взрывным устройствам к ним. Очень важным было сообщение о предстоящем испытании в Аламогордо (намечалось оно на середину июня).
Последняя встреча с Фуксом в США (19 сентября 1945 года) была краткой. В ходе ее стало известно, что Фукс присутствовал 16 июля на испытаниях атомной бомбы. Важным было сообщение о дальнейших работах по усовершенствованию производства плутониевых бомб, и о том, что США ежемесячно производят 100 кг урана-235 и 20 кг плутония.
В середине июня 1946 года Фукс покинул Лос-Аламос и Соединенные Штаты. В Англии его назначили главой отдела теоретической физики Научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле.
Руководство внешней разведки поручило возобновить встречи с ним резиденту по линии научно-технической разведки МГБ СССР А.С. Феклисову. Только «беспредельная преданность Фукса, его огромное мужество и крепкие нервы позволили продолжить тайные встречи… и передачу секретных материалов» — из воспоминаний А. Феклисова. 13 марта 1947 года в Лондоне К. Фукс передал в руки советского разведчика материалы чрезвычайной важности — материалы по производству плутония, которые Фукс не смог добыть в США. Они (по оценке ученых) позволили СССР сэкономить около 250 млн. рублей.
Материалы легли в основу Постановления Правительства СССР, которое обязывало разработчиков ядерного оружия провести теоретическую и экспериментальную проверку возможности создания нескольких типов атомных бомб усовершенствованной конструкции и водородной бомбы, которой был присвоен индекс РДС-6.
Неожиданное для Запада испытание советской атомной бомбы вызвало предположение, что у них ядерные секреты выкрали, Советам их могли передать люди, работавшие в Лос-Аламосе.