Mniej więcej w tym samym czasie podjął współpracę z wywiadem ZSRR.

W 1943 wyjechał do Stanów Zjednoczonych, gdzie pracował w laboratoriach atomowych, m.in. w Los Alamos. Brał udział w Projekcie Manhattan – pracach nad pierwszą bombą atomową. Do Wielkiej Brytanii wrócił w 1946. Pod koniec lat czterdziestych został aresztowany i 1 marca 1950 został skazany na 14 lat więzienia za szpiegostwo na rzecz ZSRR. Uważa się, że to właśnie Fuchs był najcenniejszym radzieckim szpiegiem w Projekcie Manhattan (nie Rosenbergowie), a przekazane przez niego informacje znacząco przyspieszyły prace nad radziecką bombą atomową. To on dostarczył m.in. potrzebne informacje o materiale rozszczepialnym - uranie 235, potrzebnym do produkcji bomby atomowej. Na rzecz Fuchsa jako kurierzy pracowali: Saville Sax i Harry Gold.

Z więzienia został przedterminowo zwolniony (za dobre zachowanie) 23 czerwca 1959 i samolotem LOT odleciał do Berlina Wschodniego w NRD, gdzie osiadł w Dreźnie. Pracował jako zastępca dyrektora Instytutu Badań Jądrowych w Rossendorf, prowadził też wykłady w miejscowej uczelni. Związek małżeński zawarł z Margaret Keilson, koleżanką ze studiów. Za swe zasługi był w NRD wielokrotnie nagradzany. Odznaczony m.in. Orderem Karla Marksa oraz Orderem Zasług dla Ojczyzny.