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.
Испытание РДС-6 12 августа 1953 г.
Испытание РДС-1. Семипалатинский испытательный полигон. 29 августа 1949 г.
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.
Осенью 1949 года в ЦРУ расшифровали несколько телеграмм, которыми в 1944 году Москва обменивалась с консульством в Нью-Йорке, и через его псевдоним «Чарльз» вышли на Клауса Фукса. Вскоре глава ФБР Гувер доложил президенту Трумэну, что его сотрудники выявили источник утечки атомных секретов из США.
Хотя Клаус Фукс и прекратил к этому времени связь с советской разведкой, как и обещал это сделать после первого ядерного взрыва, английская контрразведка взяла его в интенсивную разработку. Его не отстранили от работы, но многие сотрудники Харуэлла узнали, что глава отдела теоретической физики подозревается в шпионаже.
2 февраля 1950 года Клаус Фукс был арестован. На состоявшемся суде 1 марта 1950 года в соответствии с Законом о защите государственных секретов он был осужден на максимальный срок тюремного заключения. Фукса не приговорили к смертной казни только потому, что Советский Союз, которому он передавал секретные материалы, во время войны был союзником Англии.
8 марта 1950 года ТАСС сообщило:
«Агентство Рейтер опубликовало сообщение о состоявшемся на днях в Лондоне судебном процессе над английским ученым-физиком Фуксом, который был приговорен за нарушение государственной тайны к 14 годам тюремного заключения. Выступивший на этом процессе в качестве обвинителя генеральный прокурор Великобритании Шоукросс заявил, будто бы Фукс передавал атомные секреты «агентам Советского правительства».