Pasca-memperoleh gelar doktor, Khan bekerja di Laboratorium Penelitian Dinamika Fisik yang merupakan subkontraktor dari mitra Belanda URENCO. URENCO merupakan sebuah konsorsium perusahaan Inggris, Jerman, dan Belanda, didirikan pada tahun 1971 untuk meneliti dan mengembangkan pengayaan uranium melalui penggunaan ultrasentrifugal, yaitu sentrifugal yang beroperasi pada kecepatan yang sangat tinggi.
Di tempat kerjanya, Khan mampu memperoleh akses ke berbagai informasi tentang teknologi ultrasentrifugasi. Bahkan dia berkali-kali mengunjungi pabrik Belanda di Almelo.
Salah satu pekerjaannya yakni menerjemahkan dokumen Jerman tentang sentrifugal canggih ke dalam bahasa Belanda.
Namun, apa yang terjadi di Pakistan pada saat itu membuatnya terpanggil. Saat itu, Pakistan kalah dari India dalam perang singkat pada tahun 1971.
Pakistan timur juga hilang berganti negara baru Bangladesh. Selain itu, India juga menggelar uji coba alat peledak nuklir pada Mei 1974.
Maka, pada 17 September 1974, Khan menulis surat kepada Perdana Menteri Pakistan saat itu, Zulfikar Ali Bhutto. Dia menawarkan bantuannya dalam mempersiapkan bom atom.
Dalam surat itu dia menawarkan pendapat rute uranium ke bom, menggunakan sentrifugal untuk pengayaan yang lebih baik daripada jalur plutonium (sudah berlangsung di Pakistan), yang mengandalkan reaktor nuklir dan pemrosesan ulang.
Bhutto pun bertemu Khan pada Desember 1974. PM Bhutto mendukung Khan melakukan semua yang dia bisa guna membantu Pakistan memiliki bom nuklir.
Selanjutnya Khan mencuri gambar sentrifugal dari Belanda dan menyusun daftar pemasok terutama Eropa. Di negara-negara tersebut menyediakan suku cadang yang diperlukan.
Pada tanggal 15 Desember 1975, dia meninggalkan Belanda menuju Pakistan, ditemani oleh istri dan dua putrinya serta membawa salinan cetak biru dan daftar pemasoknya.
Di Pakistan, Khan awalnya bekerja dengan Komisi Energi Atom Pakistan (PAEC). Namun dia berselisih pendapat dengan pimpinannya, Munir Ahmad Khan.