بعد التخرج من الثانوية، ترك خان الهند شاعراً بالنفور من البلاد التي تعامله على أنه مواطن من الدرجة الثانية. روى في إحدى المقابلات أنه "لم يكن هناك مستقبل للمسلمين في بوبال… نصحني إخوتي بالمجيء إلى كراتشي. والدي، بعد تقييم الأوضاع في بوبال، سمح لي بالسفر".
كان خان الابن الأصغر من بين سبعة أبناء، ووالده مدير مدرسة ثانوية في بوبال، وشغل من قبل دوراً كبيراً في التعليم الوطني. أثّر ذلك في شخصية خان وجعله مغرماً بحب إظهار الناس الاحترام والتقدير له، وجعله لا يقبل الإهانة.
أضاف خان: "كلما ذهبت إلى السوق مع والدي، كنت أرى الناس من جميع مناحي الحياة، أصحاب المتاجر، المعلمون، الأطباء وما إلى ذلك، يقفون كعلامة احترام لوالدي، اعتادوا أن يطلبوا منه البقاء معهم لبضع دقائق وتناول كوب من الشاي. كان عمري حوالي سبع سنوات في ذلك الوقت، وترك ذلك انطباعاً دائماً وعميقاً في ذهني".
بعد فترة وجيزة من إنهاء دراسته الجامعية في كراتشي، انتقل خان إلى أوروبا لإكمال تعليمه. تزوج فتاة محلية، حصل على الدكتوراه في الهندسة وتخصص في علم المعادن.
حصل خان على درجة الماجستير من جامعة دلفت للتكنولوجيا في هولندا، وعاد إلى باكستان، حيث تقدم بطلب للحصول على وظيفة في مصنع صلب جديد، لكن لم يتلق أي عرض عمل وعاد إلى أوروبا.
آنذاك، أخذ منعطفاً غير حياته، عندما حصل على منصب في شركة FDO الهولندية التي طورت أجهزة طرد مركزي تعمل بالغاز لشركة "URENCO"، وهو اتحاد أوروبي يوفر الوقود لمفاعلات الطاقة النووية.
في وقت لاحق، وقع حدثان حفزاه على العودة إلى باكستان، كلاهما يتعلق بما اعتبره "إهانة". الأول، حين وقعت حرب عام 1971 وانتهت بغزو الهند السريع لباكستان الشرقية، والتي أصبحت في ما بعد بنغلاديش.
قال خان عن ذلك: "كنت في بلجيكا في 1971 عندما استسلم الجيش الباكستاني في ذلك الوقت وواجه أقصى قدر من الإذلال".
أما الحدث الثاني، فهو تجربة الهند النووية في عام 1974. في هذا الوقت كان خان يعمل مع FDO، فكتب إلى رئيس الوزراء الباكستاني حينذاك، ذو الفقار علي بوتو، شرح تكنولوجيا تخصيب اليورانيوم وعرض تقديم خدماته لبلاده.
أعجب رئيس الوزراء بحماس خان، وأرسل له طالباً الاجتماع به. في أواخر ذلك العام، أحضر خان زوجته وبناته في زيارة إلى باكستان، حيث التقى ببوتو وتعرّف على البرنامج النووي الباكستاني الوليد.
بعد مرور عام، دون إبلاغ أي شخص في FDO مسبقاً، قام بنقل الأسرة بشكل دائم إلى باكستان. وتزعم إحدى الروايات التي رواها مركز كارنيغي أنه وصل باكستان ومعه ثلاث حقائب مليئة بالأوراق. قال زميل سابق له في FDO، إن خان كان يرسل بالفعل معلومات تصميم أجهزة الطرد المركزي إلى الدبلوماسيين الباكستانيين في هولندا.
عام 1976، أقنع خان بوتو بمنحه سيطرة حصرية على برنامج تخصيب اليورانيوم الناشئ في باكستان، وشرع في بناء منشأة تخصيب يورانيوم بالاعتماد في الغالب على علاقاته الأوروبية. بحلول مطلع عام 1983، كان قد أنتج ما يكفي من اليورانيوم عالي التخصيب لصنع أسلحة نووية، بحسب ما أقر به خان نفسه.