Aufgrund seines Ansehens gelang es ihm, einige seiner Kollegen vor der Verfolgung zu bewahren und ihnen zur Flucht zu verhelfen; Bohr lehnte es strikt ab, mit den Nazis zu arbeiten. Erst als er 1943 erfuhr, dass er verhaftet werden sollte, floh er mit seiner Familie nach Schweden und anschließend über England in die USA. In den USA war er am sogenannten "Manhattan Project", der Entwicklung der Atombombe, beteiligt, wenn auch eher marginal. Bohr sprach sich gegen den Abwurf der Bombe aus und versuchte noch während des Krieges Roosevelt und Churchill dazu zu bewegen, der Sowjetunion alle Informationen über die Atombombenentwicklung mitzuteilen, um einen atomaren Wettlauf zu verhindern. Churchill lehnte diesen Vorschlag jedoch rundweg ab.

Nach dem Krieg kehrte Bohr nach Dänemark zurück, 1955 nahm er seinen Abschied von der Universität Kopenhagen. Er engagierte sich gegen Atomwaffen und schrieb 1950 einen "offenen Brief" an die Vereinten Nationen und erhielt 1957 - unter vielen anderen Auszeichnungen - den "Atoms for Peace Award". Er setzte sich aktiv für die internationale wissenschaftliche Zusammenarbeit ein und war an der Gründung des europäischen Atomforschungszentrum (CERN) in Genf beteiligt.