费米的领导下，世界上第一个可控核反应堆在芝加哥大学建成（芝加哥1号堆，Chicago Pile-1），成功实现了可控的核链式反应。1943年春，奥本海默领导科研人员开始在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室进行原子弹的制造工作。1944年，美国田纳西州的橡树岭工厂利用欧内斯特·劳伦斯发明的电磁同位素分离法等方法生产出第一批浓缩铀原材料。1945年7月12日，第一颗实验性原子弹开始最后的装配；7月16日，美国的第一颗原子弹在新墨西哥州的沙漠中试爆成功，史称“三位一体”核试验，爆炸当量大约21,000吨TNT炸弹