In november 1943 maakte Luns de overstap naar de afdeling Diplomatieke Zaken van het ministerie in Londen. Twee maanden later keerde hij voor vijf maanden terug naar Lissabon en uiteindelijk verwierf hij in oktober 1944 een plek op de Nederlandse ambassade in Londen. Hier werkte Luns autonoom onder ambassadeur Edgar Michiels van Verduynen. Luns was in Londen ook gedelegeerde bij het Intergovernmental Committee on Refugees en in mei 1945 werd hij bovendien belast met Duitse aangelegenheden. Hij bleef na de oorlog werkzaam bij de ambassade in Londen. In 1948 nam Luns samen met Michiels en Hirschfeld deel aan de Zesmogendhedenconferentie in Londen. Omdat Luns als een waardevol lid van de ambassade werd beschouwd, verzette Michiels zich lange tijd tegen een overplaatsing van Luns, maar in mei 1949 besloot minister Dirk Stikker hem te plaatsen bij de permanente vertegenwoordiging van de Verenigde Naties in New York.