Осенью 1941 через коммуниста эмигранта Ю. Кучинского вышел на связь с легальной резидентурой советской военной разведки (руководитель военный атташе И.А. Скляров). Контакты с ним поддерживали (1941–1943) секретарь военного атташе С.Д. Кремер и разведчица У. Кучински («Соня»). Фукс передал им большое количество материалов о проекте «Тьюб эллойз».
В декабре 1943 К. Фукс был приглашен в США. Работал в секретной лаборатории в Лос-Аламосе в рамках «Манхэттенского проекта». Стал ценнейшем источником внешней разведки НКГБ – МГБ СССР, которой был передан на связь. Связь с К. Фуксом осуществлялась через агента-связника биохимика Г. Голда («Раймонд»). Первым куратором «Чарльза» по линии резидентуры НКГБ стал А. А. Яцков («Алексей).
В январе 1945 «Чарльз» встретился с Г. Голдом, которому сообщил, что создание урановой бомбы близится к завершению и одновременно успешно идут работы по созданию плутониевой бомбы. По всем вопросам он передал в Центр письменные материалы с необходимыми математическими расчетами, чертежами. Вторая встреча состоялась в сентябре 1945. Ученый рассказал связнику об испытаниях атомной бомбы, а также передал ему письменную информацию о дальнейшем усовершенствовании плутониевой бомбы, данные о том, что США ежемесячно получали по 100 кг урана-235 и по 20 кг плутония. Эти цифры дали возможность советским ученым определить, сколько атомных бомб Америка может произвести в год. До середины июня 1946 К. Фукс работал в Лос-Аламосе, затем возвратился в Лондон, где был назначен руководителем отдела теоретической физики научно-исследовательского атомного центра в Харуэлле.
Вернувшись в Англию, ученый возобновил связь с советской разведкой. В 1947–1949 его оператором был заместитель резидента в Лондоне А. С. Феклисов. Резидентура получила от ученого важные материалы по производству плутония, которые Фукс не смог добыть в США. Они, по оценке ученых, позволили СССР сэкономить 200–250 млн. руб., сократить сроки освоения проблемы. К. Фукс также передал советской разведке объемную и весьма подробную письменную информацию: детализированные данные о реакторах и химическом заводе по производству плутония в Уидскейле; сравнительный анализ работы урановых котлов с воздушным и водяным охлаждением; принципиальную схему водородной бомбы и теоретические выкладки по ее созданию, разработанные учеными Англии и США в 1948; результаты испытаний в США ураново-плутониевой бомбы в р-не атолла Эниветок; подробную справку о состоянии англо-американского сотрудничества в области производства ядерного оружия.
По получении данных из ФБР в начале сентября 1949 МИ-5 взяла Фукса в интенсивную разработку. В качестве доказательств вины ученого американцы передали британской контрразведке расшифрованную телеграмму, отправленную в Москву из советского генконсульства в Нью-Йорке о встрече Г. Голда с К. Фуксом в январе 1945 (телеграмма была сфабрикована ФБР, чтобы скрыть участие Голда в провале Фукса); план г. Санта-Фе с пометкой места встречи и отпечатками пальцев, принадлежащими им; несколько фотографий «Раймонда», оперативную съемку Голда во время прогулок по городу.
На первых допросах ученый отрицал свою причастность к шпионажу, только после предъявления ему вещественных доказательств 13 января 1950 К. Фукс признался в своем сотрудничестве с Советским Союзом и 2 февраля был арестован. 3 февраля К. Фуксу было предъявлено обвинение, что он:
«…однажды в Бирмингеме, Англия; однажды между 31 декабря 1943 г. и 7 августа 1944 г.; однажды в феврале 1945 г. в Бостоне, США; однажды в 1947 г. в Англии… передал неизвестным лицам информацию, касающуюся атомных исследований, которая предназначалась враждебному государству».
Фукс был приговорен к 14 годам тюремного заключения. В СССР 08.03.1950 было опубликовано сообщение ТАСС, где говорилось, что «Фукс неизвестен Советскому Правительству и никакие «агенты» Советского Правительства не имели к Фуксу никакого отношения». Освобожден «за примерное поведение». Информационное агентство Германской Демократической Республики АДН сообщило 24.06.1959: «Известный ученый-атомщик др. Клаус Фукс, многие годы отбывавший тюремное заключение по политическим причинам в Англии, 23 июня 1959 г. прибыл в ГДР».
Заместитель директора Института ядерных исследований в Россендорфе (1959–1978). В 1963 стал профессором теоретической физики Технического университета в Дрездене. С 1967 член ЦК СЕПГ, 1972 – АН ГДР. Лауреат Государственной премии ГДР I ст. (1975).
Награжден орденом «За заслуги перед Отечеством» (1971), Карла Маркса (1979).
Похоронен на Кладбище социалистов в Берлине.
Фут Аллан Александр (пс.: клички Джим, Альфред, майор Гранатов, Александр Александрович Дымов, Джон Саут, Альберт Мюллер)
13.09.1905 – Керксдейл, Ливерпуль, Великобритания – 1958.