Am 1. Dezember 1937 wurde Houtermans jedoch Opfer der Stalinschen Säuberungsaktionen und in Moskau verhaftet. Nach zwei Jahren Haft wurde er 1940 aufgrund des deutsch-sowjetischen Nichtangriffspaktes an Deutschland ausgeliefert, wo er von der Gestapo erneut inhaftiert wurde. Der Physiker Max von Laue konnte jedoch seinen Einfluss geltend machen, seine Freilassung bewirken und ihm eine Anstellung an Manfred von Ardennes privatem Forschungsinstitut in Berlin verschaffen. Dort vollbrachte er nach kurzer Zeit bedeutende Forschungsarbeiten, die er im geheim gehaltenen Forschungsbericht "Zur Frage der Auslösung von Kern-Kettenreaktionen" (1941) zusammenfasste. In diesem Bericht sagt Houtermans, noch vor der Entdeckung des Plutoniums durch Glenn T. Seaborg und seinen Mitarbeitern, neue Elemente schwerer als Uran (Transurane) voraus und zeigte die Möglichkeit auf, diese Elemente zur Energiegewinnung zu nutzen. Obwohl dieser Bericht staatlichen Stellen und einigen im Uranprojekt organisierten Physikern zugänglich war, scheint er jedoch keinen Einfluss auf das deutsche Atomprojekt gehabt zu haben.