Równolegle zajmował się badaniem promieniowania kosmicznego, rozpadu mionów i neutrino.

Wiosną 1949, po uzyskaniu obywatelstwa brytyjskiego, przeniósł się wraz z rodziną – która tymczasem powiększyła się o dwóch synów, Tito i Antonio – do Anglii, do nowo powstałego ośrodka badań atomowych w Harwell, zwanego potocznie Harwell Laboratory, niedaleko Oksfordu.

W 1950 zaproponowano mu katedrę fizyki na University of Liverpool. Jednakże zamiast do Liverpoolu w sierpniu 1950 wyjechał potajemnie do ZSRR. Przez pięć lat nie było wiadomo, co się stało z Bruno Pontecorvo, jego żoną Marianną i synami. Jego ucieczka zbiegła się z aresztowaniem niemieckiego fizyka Klausa Fuchsa, który od lat informował Rosjan o postępie badań jądrowych na Zachodzie. Ujawnił się dopiero w marcu 1955; na spotkaniu z dziennikarzami w Akademii Nauk w Moskwie wyjaśnił, dlaczego wybrał życie w ZSRR.

Bruno Pontecorwo do końca życie pracował w Zjednoczonym Instytucie Badań Jądrowych (JINR) w Dubnej, mieszkając z rodziną częściowo w Moskwie, częściowo w Dubnej. Materialnie powodziło im się znacznie lepiej, niż innym obywatelom ZSRR, ale byli pod stałym nadzorem i do 1978 nie mogli wyjeżdżać zagranicę.