Enrico Fermi lui propose par la suite de rejoindre, à l'université Columbia, le groupe de scientifiques travaillant sur le projet qui donnera naissance, quelque temps après, à la première réaction nucléaire en chaine auto-entretenue dans le réacteur Chicago Pile-1 (CP-1). Malgré le veto du gouvernement américain qui refuse la participation d'un Français, il rejoint le groupe en . Ce sera l'unique Français à participer au Projet Manhattan sur le sol américain. Il y travaille, dans le groupe de Glenn Seaborg, à la mise au point du procédé PUREX de séparation du plutonium et de l'uranium et participe à l'extraction des premiers grammes de plutonium produits dans CP-1.
Au CEA, Bertrand Goldschmidt dirige le département de chimie et est chargé des relations extérieures jusqu'en 1960. Il est l'auteur de nombreux ouvrages sur l'histoire du développement de l'énergie nucléaire. Il est le représentant français dans le Bureau des Gouverneurs de l'Agence internationale de l'énergie atomique de 1958 à 1980.
Publications
Étude du fractionnement par cristallisation mixte à l'aide des radioéléments, Faculté des sciences de Paris, doctorat ès sciences physiques, Paris, Masson, 1939.
« La purification de l’uranium », Atomes no 15, 1949.
Conférence sur les conséquences de la découverte de l'énergie atomique, Centre européen de la Dotation Carnegie pour la paix internationale, 1949.
Les Premières piles atomiques et la pile de Chatillon : L'avenir de l'énergie atomique et les applications pacifiques, Paris, Hôtel de la Société, 1950.
« Le cycle de l’uranium », Atomes no 85, 1953.
L'Industrie chimique de l'uranium en France, Gif sur Yvette, Centre d'études nucléaires de Saclay, 1955.
L'avenir de l'énergie nucléaire, débat public à Vienne, avec John Cockcroft et Henri Bhabha, Vienne, 1959.
