I 1933–1934 forleste Bjerknes ved Massachusetts Institute of Technology i USA og i 1940 emigrerte han til USA der han ble leder for en meteorologisk avdeling ved fysikkavdelingen ved University of California i Los Angeles. Her utviklet han og nordmannen Jørgen Holmboe videre teoriene rundt trykktendensen ekstropiske sykloner. Under andre verdenskrig arbeidet Bjerknes for det amerikanske forsvaret, og bidro blant annet med grad av oberst til beregning av de gunstigste tidspunkt for atombombingen av Hiroshima og Nagasaki.