1939年8月的一天，一封由著名科學家愛因斯坦簽名的信，放在了美國白宮橢圓形辦公室羅斯福總統的辦公桌上：「總統閣下：
……元素鈾在最近的將來，將成為一種新的、重要的能源。……在不遠的將來，有可能製造出一種威力極大的新型炸彈。……目前德國已停止出售它侵佔的捷克鈾礦的礦石。如果注意到德國外交部次長的兒子在柏林威廉皇帝研究所工作，該所目前正在進行和美國相同的對鈾的研究，就不難理解德國何以會有此舉了。」
羅斯福總統默默地讀完了愛因斯坦的信，他有些猶疑不定；這件事非同小可，這種誰也沒見過的原子彈能否製造出來？人員、經費、保密問題如何解決？假如製造中不慎爆炸怎麼辦？
他召來了科學顧問薩克斯，薩克斯提醒他說，當年拿破侖就是因為沒有採用富爾頓創造蒸汽船的建議，最終沒能渡過英吉利海峽征服英國。如今，德國正在瘋狂擴軍備戰，一旦他們得逞，美國就會處於危險被動的境地。
經過一周的思考和研究，10月19日，羅斯福決定對愛因斯坦的信作肯定的回答。他按了一下手邊的電鈴按鈕，指著一大堆各種說明資料，對應聲而入的軍事助手平靜地說道：「這件事必須很好地處理」。
按照羅斯福的指令，一個代號為「S—11」的特別委員會很快成立起來，開始了核試驗研究。
1942年8月，美國陸軍工程兵團建築部副主任格羅夫斯將軍主持「S—11」特別委員會的科學家和高級管理人員召開會議，制定了一個名叫「曼哈頓」的新計劃。計劃規定，研究工作所有指揮權都集中在「曼哈頓」工程管理處。格羅夫斯將軍坐鎮華盛頓「曼哈頓」總部，而新墨西哥州荒原上的原子實驗室由著名科學家羅伯特、奧本海姆主持。他們倆每天通過電話聯繫，及時解決工作中出現的問題。
整個工作受到嚴格保密，連副總統杜魯門也是在1945年羅斯福死後接任總統時才得知這一計劃。
與此同時，納粹德國也在加緊研究製造原子彈。1942年6月，羅斯福與邱吉爾會晤，全面衡量了雙方研製原子彈工作進展情況。他們從情報中獲悉，德國佔領挪威後，便命令挪威一家生產重水的工廠每年向德國提供5噸重水。重水是使原子反應堆中的中子得以減速的緩衝材料。有了重水就能控制反應堆，製造原子彈就有了可能。為了阻止德國製造成原子彈，必須炸毀挪威的重水工廠，切斷德國的重水來源。
1943年2月17日，盟國派出的突擊隊經過一次失敗後，終於潛入了挪威重水工廠。他們把炸藥貼在重水罐的桶板上，點燃了導火索，隨著「轟」的一聲爆炸，所有罐中的重水流入了下水道。
這次爆破的勝利，使這個重水工廠至少一年之內無法再生產出一滴重水。納粹德國製造原子彈的工作受到了阻礙。為了搶在德國人之前造出原子彈，美國向歐洲戰場派出了「阿爾索斯」行動小組，專門在歐洲各地搜捕德國科學家和收集德國製造原子彈的情報。美國認為，得到一個第一流的德國科學家，比俘獲10個師的德軍還要重要。
1944年春季，「阿爾索斯」行動小組忽然發現，在德國佔領區的小鎮黑興根，有一個德國「U」計劃「基地，這一情況傳到了美國陸軍總部。陸軍參謀長馬歇爾和幾個高級將領趴在地板上的大地圖上找了半天，才找到了這個不知名的小鎮。他們當即決定，派出一個突擊兵團襲擊黑興根。行動獲得了成功，黑興根的這個「U計劃」基地被徹底破壞。
1945年7月16日5時30分，美國製造的第一顆試驗性原子彈在新墨西哥州爆炸成功。一道閃電劃破了黎明的長空，一團巨大的火球升上8千米高空，大地也在微微顫抖。美國整個西部都聽到了爆炸巨大的聲響，很多人驚奇地以為太陽提前升起了。
美國第一批製造出三顆原子彈。第一顆試爆的原子彈命名為「瘦子」，另外兩顆分別叫「胖子」和「男孩」。
正在參加波茨坦會議的美國總統杜魯門得知這消息，異常高興。他認為，原子彈不僅是一種可以對付日本的軍事武器，也是一種可以抑制蘇聯，提高美國國際地位的外交武器。8月2日在他歸國途中，他決定立即對日本使用原子彈。