Fossheim har gjennom sin lange karriere vært gjesteforsker og gjesteprofessor ved en rekke av verdens mest fremragende sentra for studier av den faste materie, i USA, Europa og Japan: University of Maryland 1965–67, IBM Research Lab Zurich 1973 og 1975, IBM Thomas J Watson Research Centre, New York 1975–76, Electrotechnical Laboratory, Tsukuba, Japan 1990 og Superconductivity Research Laboratory, Tokyo samme år, National High Magnetic Field Laboratory, Florida 1994–95 og 1999–2000. Han har bl.a. derigjennom hatt et utstrakt samarbeid med en lang rekke framstående utenlandske forskere. Spesielt viktig var samarbeidet med den sveitsiske fysikeren, senere nobelprisvinneren K Alex Müller fra 1968, senere også den tyskfødte nobelprisvinneren J. Georg Bednorz fra 1987.