第二次世界大战爆发前夕，流亡到美国的匈牙利物理学家西拉德，得知德国正在加紧研究核裂变的链式反应，并禁止被占领的捷克出口铀矿石，就马上意识到德国可能正在研制原子弹。要是让希特勒这样的战争狂人拥有了原子弹，那人类的未来将不堪设想。
西拉德马上和其他两位物理学家找到了阿尔伯特·爱因斯坦，希望他凭借自己的威望给美国总统写信，说服美国政府尽快开始原子弹的研制工作。爱因斯坦很赞同他们的看法，欣然在西拉德草拟的信上签了名，并委托罗斯福总统的朋友和顾问亚历山大·萨克斯将这封3位科学家联名签署的请求信转交给罗斯福总统。信中针对德国研究链式反应的情况，3位科学家一致提出“美国政府应该和研究链式反应的美国物理学家们保持经常的联系”。
据说罗斯福总统一开始并没有在意此事，只说了一句“这倒是个有意思的想法，不过现在政府没有精力考虑这个事情”。萨克斯看到总统无意支持此事，很是着急，一夜都在想如何才能说服罗斯福。次日，在与罗斯福共进早餐时，萨克斯说了这样一席话：“在拿破仑执政时代，一个年轻的美国发明家富尔顿来到了这位法国皇帝面前，建议建立一支由蒸汽机舰艇组成的舰队。他说这样的舰队，无论在什么天气下都能在英国登陆。军舰没有帆能走吗？这对于那个伟大的科西嘉人（指拿破仑）来说简直是不可思议的，因此他竟把富尔顿赶了出去。根据英国历史学家阿克顿爵士的点评，这可以说是由于敌人缺乏见识而使英国得以幸免的一个著名的例子。如果当时拿破仑稍稍动一动脑筋，再慎重考虑一下，那么19世纪的历史进程也许完全会是另外一个样子。”这个故事果然打动了罗斯福总统。他立即叫来了随从，下令通知政府有关机构组成一个铀咨询委员会。
1941年12月6日，也就是日本偷袭珍珠港的前一天，美国政府正式决定，实施制造原子武器的计划。这项计划因其第一总部的所在地而被命名为“曼哈顿工程”。美国著名的理论物理学家罗伯特·奥本海默和陆军准将莱斯利·格罗夫斯成为领导这个开辟了人类原子时代巨大工程的搭档。格罗夫斯准将此前曾负责在极短时间里建成五角大楼的建设工程，虽然并不十分明确这项“曼哈顿工程”的性质和意义，但他被告知：“如果你的工作做对了，就将会赢得战争。”现在正要求他运用自己出色的工程协调能力来协调10万名工作人员、13个州的37处设施及12所大学的实验室的工作；奥本海默博士则负责科学上的领导，率领几千名高级研究人员来到了新墨西哥州洛斯阿拉莫斯附近的一个用围墙围起来的秘密基地里。
因躲避法西斯迫害而逃亡到美国并定居下来的意大利杰出的核物理学家恩里科·费米也加入到了“曼哈顿工程”。他曾在芝加哥大学领导建造了美国第一个原子能反应堆，为原子弹的研制提供了大量有用的数据。但制造核弹还存在着许多技术方面的困难，最主要的问题是铀的提纯问题。当时的科研人员普遍认为，最好的核裂变材料是铀235。但这种铀的天然含量很低，只占07%，所以必须用某种方法进行化学分离，以获得高含量的铀235。美国政府决定不惜工本，采用多种方法同时进行试验，以求尽快分离出足够的高纯度铀235。但是，由于分离铀的成本太高，再加上人们后来又发现了一种由铀238嬗变而来的新元素钚239，也是一种良好的核变材料。因此，可以将分离试验中剩下的大量铀238用来制造钚。
1943年，“曼哈顿工程”进入了具体设计阶段。1945年春，3颗原子弹被科学家们造出来了。
1945年7月16日5时30分，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯的沙漠深处，在一声闪耀着令人眩目的光芒的猛烈爆炸声中，“曼哈顿工程”的工作达到了高潮。在一个离地面约10公里的地下观测室里，奥本海默博士看到了世界上第一颗铀原子弹试爆成功后升起的蘑菇云，禁不住默默地慨叹道：“我成了死神，世界的毁灭者。”根据专家测算，这颗原子弹的爆炸威力相当于20000吨TNT炸药。
美国在不到4年的时间里就成功地试制出原子弹，完全取决于两个因素：一是希特勒将一大批极有才华的欧洲核物理学家赶到了美国，为美国聚集了全球实力最强的科学家阵容；二是为了完成“曼哈顿工程”，美国政府投入了巨大的人力和物力：前后共动员了50多万人参与实验，耗费资金22亿美元，占用了全国近1/3的电力。原子弹的研制成功是20世纪在科学协作方面的典型范例。
1945年5月，德国宣布无条件投降后，人们才了解到德国虽然一直在从事原子弹的研制工作，但离真正能制成原子弹还早着呢。他们研制核反应堆的设施屡遭盟军和抵抗组织的破坏，根本无法集中全力制造原子弹。这时，从前建议造原子弹的科学家们又开始呼吁，要求禁止使用核武器。但科学理论一旦变成了现实，科学家们就根本无法改变它的命运了。6月，当初首倡研制原子弹的西拉德等7名科学家又联名给美国国防部长写信，指出原子弹的存在会引起世界各军事强国的核军备竞赛；7月，西拉德又起草了给白宫（美国总统官邸，后成为美国政府的代称）的紧急请愿信……
但这一切都无助于事——1945年8月6日和9日，美国政府分别在日本广岛和长崎投下了两颗原子弹。从此，全世界几个军事强国间长达近半个世纪的核军备竞赛开始了！