Фухз получил допуск к специальным работам, хотя британцам и было известно, что он состоял членом в коммунистической партии Германии (KPD) и не скрывал своих коммунистических убеждений даже во время пребывания в Британии, так как нужда в квалифицированных ученых превалировала над соображениями секретности. Позднее, в 1941 году, когда немецкие войска готовы были вот-вот вступить в Москву, Фухз вызвался стать советским шпионом. Через лидера подполья KPD в Британии Фухз вступил в связь с представителем ГРУ и стал ключевым членом военного аппарата ГРУ, поставляя сведения о продвижении американской и британской атомных программ.
В 1943 году у Фухза появилась возможность передать своим кураторам из ГРУ подробные разведданные об американской программе. Эта возможность возникла благодаря решению президента Франклина Рузвельта "возобновить в полном объеме взаимный обмен сведениями с британским правительством касательно трубных сплавов". Решение Рузвельта привело к секретному Соглашению по атомной энергии (Agreement Relating to Atomic Energy), каковое Черчилль и Рузвельт подписали 19 августа 1943 года. В условия соглашения входил "полный и эффективный обмен информацией и идеями" о конструкции бомбы.
В декабре 1943 года в ходе осуществления этого соглашения Фухз отправился из Англии с визитом к американским коллегам в составе британской делегации "Tube Alloys". Покидая Британию, он получил указания о том, как вступить в контакт со своим американским куратором — американским гражданином русского происхождения Гарри Голдом, кодовое имя Раймонд (Raymond). Фухз не знал, что Голд работает на НКГБ, а ГРУ вынуждено было передать его в ведение НКГБ.
Вскоре по прибытии, в начале 1944 года, Фухзу удалось передать важные данные об урановом обогатительном заводе в Ок-Ридже, Теннесси, хотя тот был известен ему только как "участок X". В середине июля Фухз доставил копии собственных рукописей, подготовленных во время работы над проектом; среди них была информация об Ок-Ридже, местонахождение которого уже было установлено, и имевшемся там оборудовании, в том числе о счетной машине для вычислений по ядерной физике.
В следующем месяце Фухз проник в самое сердце американской атомной программы с назначением в отдел теоретической физики в Лос-Аламосе, Нью-Мексико, где получил широкий доступ к информации, поскольку британские ученые в Лос-Аламосе имели доступ к целому ряду составляющих проекта, что часто давало им более целостное представление обо всем, чем их более специализированным американским коллегам.
В феврале 1945 года Фухз, навещая сестру в Кембридже, Массачусетс, смог передать Голду существенное количество письменных документов об атомном проекте, в том числе донесение объемом в несколько страниц, резюмировавшее подходы к конструированию атомного устройства. В донесении рассматривалась возможность преждевременной детонации плутония из-за спонтанной реакции, использование в процессе детонации сильных взрывчатых веществ, преимущества взрывного метода над пушечным, сравнение критической массы плутония с критической массой урана-235, а также производство плутония на Хенфордском реакторе (Вашингтон).
Вернувшись в Лос-Аламос, Фухз продолжал свою шпионскую деятельность. В начале июня, за месяц до испытаний в Аламагордо, Фухз приехал на автомобиле в Санта-Фе, чтобы встретиться с Голдом. Там он вручил Раймонду документ, содержавший набросок бомбы и ее компонентов, информацию о размерах бомбы, описание ядра и детонатора и сведения о намерениях США применить бомбу против Японии.
Фухз был не единственным советским агентом Голда в Лос-Аламосе. За несколько дней до прибытия Фухза Дэвид Грингласс, двадцатидвухлетний военнослужащий-коммунист, прибыл туда работать в качестве машиниста. В августе 1944 года его направили в секцию взрывной детонации Е-5. Впоследствии он работал в секциях Х-1 и Х-4, отвечавших за производство кумулятивных зарядов, использовавшихся в плутониевой бомбе. Таким образом, он смог подтвердить информацию Фухза о конструкции и сборке бомбы.
В январе 1945 года, за месяц до поездки Фухза к сестре, Грингласс приехал на побывку домой в Нью-Йорк. Его зять Джулиус Розенберг был давним и преданным членом Коммунистической партии, ушедшим из партии в конце 1943 года, чтобы стать агентом НКВД под контролем Анатолия Яцкова (работавшего под псевдонимом Анатолий Яковлев). Розенберг расспросил шурина о событиях в Лос-Аламосе. Затем Грингласс написал ряд заметок и сделал ряд набросков, в том числе несколько набросков матрицы кумулятивного заряда, хорошо знакомой ему. И хотя эти наброски были менее технически безупречны и касались только одной из множества рабочих моделей, они все равно оказались весьма ценными. По меньшей мере, они указывали, что ученые в Лос-Аламосе совершенствуют кумулятивную линзу — расположение направленных зарядов, использующихся для создания сходящейся ударной волны, — откуда следовало, что работы над бомбой пушечного типа прекращены. Затем Розенберг договорился с Гринглассом о пароле, чтобы курьер Гарри Голд смог выйти с ним на связь в Лос-Аламосе. Офицер, занимавшийся делом Голда, охарактеризовал сведения, полученные Голдом от Грингласса — несколько страниц записок и набросков кумулятивной линзы, — как "чрезвычайно великолепные и предельно ценные".
Грингласс был не единственным и, вполне возможно, отнюдь не самым ценным американским шпионом Советов в Лос-Аламосе. В какой-то момент с сентября 1941 по июль 1942 года ученый, получивший кодовое имя Персей, сообщил знакомому, что его пригласили в атомный проект, и предложил поставлять сведения. Этот знакомый — Моррис Коэн, якобы знакомый Персея по гражданской войне в Испании, был вдобавок советским агентом и без промедления передал информацию в Москву вместе с рекомендацией завербовать физика.
Заключить сделку оказалась нетрудно, поскольку ученый, по-видимому, считал, что Соединенные Штаты намерены применить бомбу против Советского Союза, а не фашистской Германии. На встрече в Альбукерке Персей передал Лоне Коэн (жене Морриса) сведения о конструкции и испытаниях плутониевой бомбы, проходивших в Атамагордо 26 июля 1945 года. В отличие от Клауса Фухза и Дэвида Грингласса Персей, доживший до октября 1992 года, так и не был разоблачен в Лос-Аламосе, и личность его остается неизвестной по сей день.
Игорь Курчатов, отец советской атомной бомбы, начал весьма хвалебно отзываться о вкладе советских атомных шпионов по крайней мере с марта 1943 года. В это время он проинформировал кремлевское руководство, что полученные от агентуры сведения об американской атомной программе, к примеру о методиках разделения изотопов и цепной реакции, позволят советским физикам решить все проблемы с расщеплением атома "куда раньше, чем считали наши ученые". Курчатов также написал, что "[эти] материалы имеют грандиозную, неоценимую важность для нашего государства и нашей науки. Теперь мы располагаем важными руководящими направлениями для последующих исследований, что позволит нам обойти множество трудоемких фаз, требующихся при решении атомной проблемы, указав нам научные и технические способы ее решения".
Успехов добивались разведывательные службы не только у союзных войск, но и у немцев. Однако история немецких агентурных операций во Второй мировой войне сплошь пестрит поражениями и провалами. В частности, абвер адмирала Канариса в целом ряде случаев был нейтрализован или пал жертвой обмана.
Одним из абверовских шпионов в Соединенных Штатах был Уильям Дж. Сиболд, кодовое имя Бродяга, натурализованный американец, рожденный в Германии и служивший капралом в пулеметном взводе кайзеровской армии. Во время его визита в Германию гестапо шантажом вынудило его заняться шпионажем и дало задание служить каналом передачи радиограмм и микрофильмов для майора Николауса Риттера, главы секции воздушной разведки гамбургского пункта абвера.
В числе агентов, пользовавшихся услугами Сиболда в качестве связного, были: Эверетт Минстер Рёдер — чертежник завода "Сперри" на Лонг-Айленде — вероятно, основной в Соединенных Штатах поставщик технической информации абверу; австрийская натурщица Лили Штейн, вербовавшая других агентов и служившая посредницей; пожилой немецкий публицист Фредерик Юберт Дуквесне; и инспектор корпорации "Норден" Герман Ланг, оказавший помощь в похищении бомбового прицела этой компании несколькими годами ранее.