1939'da Almanya'da nükleer fisyonun keşfi, mültecilerin çoğunluğu Nazi karşıtı fizikçiler arasında derin bir endişe yarattı: aynı keşfi Naziler önce silaha çevirirse savaş çok daha kötü bir yere giderdi. Einstein ve Szilárd, 1939'da Roosevelt'e bir mektup yazarak araştırma başlatılmasını önerdi. ABD'nin yanıtı önce küçük ölçekli oldu, ama Aralık 1941'de Pearl Harbor sonrası bütçe sınırsızlaştırıldı.

Ağustos 1942'de Manhattan Mühendislik Bölgesi resmen kuruldu — kod adı projenin başlangıçta New York Manhattan'daki ofisten yürütülmesinden geliyordu. Ordu generali Leslie Groves yönetimi devraldı, fizikçi J. Robert Oppenheimer bilimsel direktör oldu. Üç ana site: Oak Ridge (Tennessee) — uranyum-235 zenginleştirme; Hanford (Washington) — plütonyum üretimi; Los Alamos (Yeni Meksika) — silah tasarımı. Pikinde yaklaşık 130.000 kişi projede çalıştı; toplam maliyet bugünkü parayla 28 milyar dolardı.

2 Aralık 1942'de Chicago Üniversitesi'nin kapatılmış raket sahası altında Fermi'nin ekibi grafit-uranyum yığını CP-1'i kritik hale getirdi. 28 dakika boyunca kontrollü zincirleme reaksiyon sürdü — laboratuvarın dışına şifreli mesaj gitti: "İtalyan denizci yeni dünyaya indi." Bu an, manto altındaki radyoaktif çekirdeklerle dolu Dünya'da değil, insanın kendi ürettiği bir reaktörde başlayan yeni bir çağın işaretiydi.

16 Temmuz 1945'te Trinity testi Yeni Meksika çölünde yapıldı. Üç hafta sonra Hiroşima ve Nagasaki üzerinde atılan bombalar yaklaşık 200.000 kişinin ölümüne yol açtı. Savaş bitti; Soğuk Savaş başladı. Manhattan Projesi sadece bir silah değil, devlet-bilim-sanayi arasındaki yeni ilişki biçimini de doğurdu: "Big Science" çağı, sonraki Apollo programının, parçacık çarpıştırıcılarının ve İnsan Genomu Projesi'nin örneğini buradan aldı.