De kontrollerade noga 19 personers kost så att de alla hade exakt samma kaloriintag.
Resultaten, som presenterades vid endokrinsällskapets årsmöte, visade att 67 % mer fett gick förlorat på en fettsnål kost än en lågkarbad.
Men experter ifrågasatte vilka dieter människor skulle kunna hålla fast vid i verkliga livet.
Forskarna sade att de flesta bantare slutade skära ut en blandning av protein, kolhydrater och fett från sina måltider, så forskarna föresatte sig att undersöka det relativa bidraget av varje mattyp.
Det krävdes experiment som inte kunde upprepas utanför en laboratoriemiljö, där innehållet i varje måltid var exakt kontrollerat.
De 19 frivilliga var alla överviktiga med en genomsnittlig kroppsfettprocent på 40% i början av studien.
De tillbringade fem dagar på en diet avsedd att matcha hur många kalorier deras kroppar brände. Den bestod av 50% kolhydrater, 35% fett och 15% protein.
De flyttade sedan till studiens brännpunkt under de följande sex dagarna, där kaloriintaget minskade med 30 % eller omkring 800 kalorier per dag.
Hälften placerades på en diet med låga halter av kolhydrater, 49 % fett och 21 % protein.
Resten placerades på en fettsnål diet - 72% kolhydrater, 7% fett och 21% protein.
Efter dessa sex dagar hade deltagarna ett par veckor på sig att återhämta sig innan de började om från början igen och provade den andra dieten.
Deras vetenskapliga presentation sade: "Body fat förlust var 67% större efter sex dagar av lågt fett jämfört med låg kolhydrat."
Doktor Kevin Hall, från NIEH National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases, sade till BBC News: " Det är inte lätt, dessa människor måste äta samma måltider varje dag.
"Detta var mycket strikt kontrollerad och de var tvungna att äta maten som tillhandahålls och inget annat, bantningen blev ganska tråkig ganska snabbt."
Samtidigt ge intressanta fysiologiska insikter, dessa kommentarer väcker oro hos experter som försöker hjälpa människor att gå ner i vikt utanför strikta laboratorieförhållanden.
Susan Jebb, professor i kost och befolkningshälsa vid University of Oxford, berättade för BBC News webbplats: "Detta är en snygg studie, men det är mycket liten och utformad för att undersöka metabolismen av fett och kolhydrater under mycket kontrollerade förhållanden, snarare än långsiktig viktkontroll, där beteendefaktorer blir allt viktigare.
"I det "verkliga livet" kommer andra faktorer, t.ex. kostprogrammets godtagbarhet, sannolikt att vara en viktig faktor i samband med följsamhet och, för det mesta, att på längre sikt göra större skillnad för människors vikt."
Dr Hall sa att långsiktiga prognoser var "hungriga av svårigheter" men sade deras matematiska modeller föreslog att fettsnål kost skulle leda till mer långsiktig kroppsfett förlust.
Tanken bakom den fettsnåla kostens förtjänster är att skapa "fettobalans".
Den fettsnåla, hög-karb, kost ökar mängden fett som förbränns av kroppen, men förhindra fettet kommer in i kroppen i första hand verkade ha större effekt.
Kardiologen Dr Aseem Malhotra var bekymrad över hälsoeffekterna av en sådan fettsnål kost.
"Det totala fettintaget på 7 % är alldeles för lågt för att detta ska bli hållbart och skulle sannolikt leda till näringsbrist för de essentiella fettsyrorna och de fettlösliga vitaminerna.
"För bästa hälsa, även på kort sikt, äta riktiga obearbetade livsmedel, koncentrera sig på god näring och sluta räkna kalorier!"
Äta en fettsnål, snarare än en låg-karbid kost leder till en större förlust av kroppsfett, enligt US National Institutes of Health forskare.