El 18 de juny de 1942, Roosevelt aprovà un projecte a gran escala per fabricar la bomba atòmica abans que els alemanys i es començaren a construir els complexos necessaris. Les instal·lacions principals es trobaven a Los Álamos, una regió desèrtica al nord de l'estat de Nou Mèxic. A Oak Ridge, Tennessee, es construí una planta d'extracció i depuració d'urani235, i no molt lluny d'allí una altra per a la síntesi del plutoni239, un actínid transurànic capaç de generar reaccions en cadena. Aquesta gran operació fou anomenada Projecte Manhattan, en honor al districte de Nova York on se situa la Universitat de Columbia, pionera en les investigacions nuclears nord-americanes.
     A Los Álamos s'hi reuniren els grans científics d'aquells temps sota la coordinació del major Leslie R. Groves. Com a cap de direcció del projecte hi havia el director d'investigació de l'Institut de Tecnologia de Califòrnia: J. Robert Oppenheimer, considerat com el pare de la bomba atòmica. A les seves ordres es trobaven científics tan brillants com l'italià Enrico Fermi i el danès Neils Bhor. El mateix Fermi havia aconseguit, l'any 1942, les primeres reaccions en cadena en una pila d'urani235 a Chicago.
     El problema principal era la lentitud en la producció d'urani235 i de plutoni239 i el mètode que s'hauria d'utilitzar per detonar la bomba. En el cas de la bomba d'urani es disposaven dues masses subcrítiques, és a dir, insuficients per iniciar una reacció en cadena, i s'ajuntaven violentament arribant al punt de massa supercrítica per començar la reacció en cadena descontrolada.
     Per a la bomba de plutoni el procés era més complicat, ja que la quantitat de massa necessària per esdevenir supercrítica és molt més inferior que en la de l'urani. Així, es disposà en nucli de la bomba una esfera de plutoni expandit. En el moment de la detonació es feien explotar unes càrregues explosives situades uniformement al seu voltant. Les ones d'expansió comprimien l'esfera de plutoni i quan aquesta arribava als 10 cm de diàmetre la seva densitat era suficient per iniciar les reaccions en cadena.

· L'inici de l'Era Nuclear

     L'abril de 1945 mor Franklin Roosevelt i puja al poder Harry Truman, que fou posat al corrent de secret Projecte Manhattan. El mes de juny es decidiren els objectius de les dues bombes, i com que la guerra a Europa ja havia acabat amb la rendició d'Alemanya el mes anterior, es posà el punt mira al Japó, que encara seguia batallant en el Pacífic. Abans de fer-les explotar, però, calia provar-les per assegurar-ne el correcte funcionament i comprovar en la pràctica el poder destructiu que fins llavors només havia estat calculat teòricament.

     L'11 de juliol de 1945, a les 5:30 hora local, a l'àrida regió d'Alamogordo, a 320 km de Los Álamos, s'ingnaugurà l'inici de l'Era Nuclear. Una bomba de plutoni239 explotava amb una devastadora força equivalent a 18.000 tones de TNT. Una bola de foc de 1,5 km de diàmetre i brillant com 20 sols s'enlairà en el cel escalfant l'aire a 14 milions de ºC i fonguent la sorra del terra tot transformant-la en vidre. L'explosió fou vista en tres estats i a 25 km es pogué sentir una onada de calor similar a quan s'està al costat d'una xemeneia. Havia nascut un nou bolet: el bolet nuclear.

· Hiroshima i Nagasaki

     Com que l'invasió del Japó amb forces convencionals hauria suposat la mort de milers de soldats nord-americans, l'1 de juny de 1945 Truman ja havia pres la decisió d'utilitzar la bomba atòmica. S'havia seleccionat Hiroshima i Nagasaki com a punts de mira ja que eren dues ciutats que encara no havien estat bombardejades durant la guerra. Així, el 27 de juliol exigí la rendició incondicional del Japó sota l'amenaça d'haver d'afrontar "una destrucció màxima i immediata".
     Refutada la demanda, 10 dies després, el 6 d'agost, la primera bomba d'urani235 anomenada Little Boy (Nen Petit) esclatà a 580 metres sobre Hiroshima amb una potència de 12.500 tones de TNT.
En una fracció de segon, les persones foren trossos de carn carbonitzada mentre els seus òrgans interns bullien. Altres estaven cobertes de sang i la pell dels seus braços penjava de la punta dels seus dits. Dels 325.000 habitants d'Hiroshima, 140.000 moriren abans de finalitzar 1945. El 1950 els morts totals ja eren 200.000. 10 km², el 68% de la superfície de la ciutat, foren completament destruits.
     Com que la rendició no es produia, 3 dies deprés, el 9 d'agost, esclatà a 500 metres sobre Nagasaki la bomba de plutoni239 Fat Man (Home Gras). Amb la seva potència equivalent a 22.000 tones de TNT destruí un terç de la ciutat i matà a 70.000 persones. Unes 70.000 més moriren durant els 5 anys següents. Finalment l'emperador japonès Hirohito firmà la rendició el 14 d'agost. Just a temps, ja que una tercera bomba atòmica estava en camí.