לאחר שמיעת הטיעונים מפי מדענים וקצינים בנוגע לשימושים אפשריים של הנשק נגד יפן (אף כי חלק יעצו לעשות בנשק שימוש רק לצורך הרתעה באזורים בלתי מיושבים, הרוב יעצו להשתמש בנשק על ערים מאוכלסות), הורה טרומן לעשות שימוש בנשק על ערים ביפן, בתקווה שהדבר ישלח מסר חזק אשר יזעזע את ההנהגה ויכפה עליה כניעה אשר לא תיאלץ פלישה אמריקנית לאי. היו הצעות להטיל את הפצצה על טוקיו, בירת יפן, אולם דאגה בנוגע למורשת התרבותית של טוקיו שינו את התוכנית. ב-6 באוגוסט 1945, הוטלה על הירושימה פצצה מבוססת אורניום בשם "ילד קטן". שלושה ימים מאוחר יותר, הוטלה פצצה מבוססת פלוטוניום בכינוי "איש שמן", על נגסאקי. ההפצצות קיפדו חייהם של לפחות מאה אלף יפנים כתוצאה מידית של החום, הקרינה ואפקט ההדף. עשרות אלפים מתו מאוחר יותר כתוצאה מקרינה וממחלת הסרטן. טרומן הבטיח "גשם של הרס" אם יפן לא תיכנע באופן מידי, ואיים להעלים ערים יפניות אחת אחרי השנייה. יפן נכנעה ב-15 באוגוסט 1945. האיום של טרומן היה תעמולתי בעיקרו, מכיוון שלרשות ארצות הברית עמדו שתי פצצות נוספות בלבד באותה תקופה.
המאמץ הגרמני.
פרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית (נודע בגרמניה כ-"Uranverein" - מועדון האורניום) החל באפריל 1939, מספר חודשים לאחר גילוי הביקוע הגרעיני בינואר 1939.
הפרויקט התמקד במספר כיוונים: בניית כור גרעיני, ייצור מים כבדים ואורניום וכן הפרדת איזוטופים. מובילי הפרויקט היו קורט דיבנר, אברהם אסאו, וולטר גרלך ואריך שומן. בינואר 1942 הפנה משרד החימוש הגרמני את הטיפול בפרויקט לידי מועצת המחקר של הרייך. בתקופה זו התפצל הפרויקט בין תשעה מכונים שונים שכל אחד מהם התמקד בכיוון אחר, והתקבלה הבנה שתוצריו לא יהיו שימושיים במהלך המלחמה. לכן הלך ופחת מספר המדענים בפרויקט וכשרונותיהם הופנו לפרויקטים בעלי תועלת מידית. עם סוף המלחמה נוצל הידע הגרמני בפרויקט הגרעין על ידי בעלות הברית, כמו למשל הידע ביצירת טילי ה-V-2, כיוון שמרבית הפרויקט רוכז בשטחים שבמערב גרמניה.
פרויקט הגרעין הסובייטי.
ברית המועצות לא שותפה בסוד הנשק החדש שפותח על ידי ארצות הברית ובעלות הברית האחרות. במהלך המלחמה הודלף מידע אודות הנשק החדש על ידי מספר מרגלים סובייטים מתנדבים שהיו מעורבים בפרויקט מנהטן, אשר כונו בשם הקוד "אנורמוז". כך יכול היה מדען הגרעין הסובייטי איגור קורצ'טוב לעקוב בזהירות אחר התנהלות הפרויקט. סטלין לא הופתע כלל כאשר טרומן בישר לו בוועידת פוטסדאם אודות "נשק הרסני חדש" שברשותו. טרומן, מאידך, הופתע מחוסר העניין שהביע סטלין.
איש מהמרגלים הסובייטים בפרויקט האמריקני לא היה רוסי וכולם פעלו בהתנדבות. המוערך מביניהם היה קלאוס פוקס, פיזיקאי תאורטיקן שהיגר מגרמניה ולקח חלק במאמציהם המוקדמים של הבריטים בנושא הגרעין. קלאוס היה אחד מחברי המשלחת הבריטית למעבדות לוס אלמוס במהלך המלחמה. הוא היה מעורב בצורה ישירה בפיתוח הפצצות בעלות מנגנון הקריסה (כדוגמת "איש שמן" ו"גאדג'ט" שהתפוצצה בניסוי טריניטי) והדליף פרטים אודות "גאדג'ט" לאנשי הקשר הסובייטיים עמם עבד. מרגלים אחרים בלוס אלמוס, שאיש מהם לא הכיר את רעהו, היו תאודור הול ודייוויד גרינגלס. המידע שהודלף לרוסים לא עבר לרמה האופרטיבית אותה תקופה, שכן רוסיה הייתה שקועה עדיין מעל צווארה במלחמה באירופה מכדי שתוכל להקדיש משאבים ראויים לפרויקט החדש.
בשנים שלאחר מלחמת העולם השנייה, הפך נושא השליטה בנשק הגרעיני לנקודת מחלוקת בינלאומית. רבים ממדעני לוס אלמוס שהיו שותפים לבניית הפצצה החלו לקרוא לבקרה בינלאומית על אנרגיה גרעינית. אולם בשל חוסר האמון בכוונות הסובייטים, פעלו מקבלי ההחלטות בארצות הברית לשימור מונופול אמריקני בתחום הגרעין. תוכנית עקרונית לבקרה בינלאומית אמנם הועלתה באו"ם על ידי ברנרד ברוך (תוכנית ברוך), אולם היה ברור הן לאמריקנים והן לסובייטים שהיה זה ניסיון שעיקרו לטרפד את מאמצי הגרעין של הרוסים. הסובייטים הטילו וטו על התוכנית, ובכך הביאו קץ לכל דיון בנושא אנרגיה גרעינית שמטרתו איסור גורף לשימוש בנשק גרעיני.
כל אותה העת הפנו הסובייטים משאבים תעשייתיים וכוח אדם רב לטובת פיתוח עצמאי של נשק גרעיני. הבעיה הראשונית של הסובייטים הייתה מחסור בחומרי גלם. לא נמצאו מחצבי אורניום בברית המועצות ובמקביל חתמה ארצות הברית על הסכמים לרכישת מונופולים על המחצבים הידועים ביותר בקונגו הבלגית. ברית המועצות עשתה שימוש בעבודת כפייה לצורך כרייה במחצבים הישנים בצ'כוסלובקיה, שהייתה תחת שליטתם לאחר המלחמה ובנוסף נמשכו ניסיונות איתור מחצבים (שלבסוף נמצאו) בתחום ברית המועצות.
כיומיים לאחר הפצצת נגסאקי פרסמה ממשלת ארצות הברית דו"ח רשמי אודות פרויקט מנהטן. הדו"ח פורסם על ידי פיזיקאי מפרינסטון בשם הנרי דוולף סמית, מכאן כינויו – דו"ח סמית, והוא התמקד באתרי היצור ובהיקף ההשקעה, כשחלק ממטרתו להצדיק את הוצאות המלחמה בפני הציבור האמריקני. התוכנית הסובייטית, תחת עינו הפקוחה של ראש הנ.ק.ו.ד. לשעבר לברנטי בריה, עשתה שימוש במידע אשר בדו"ח כתוכנית מתאר במטרה לשכפל ככל הניתן את התהליך האמריקני. "הערים הסודיות" – המקבילות הסובייטיות להאנפורד ולאוק רידג' – נעלמו מהמפות בעשורים שלאחר מכן.
באתר הסובייטי המקביל למעבדות לוס אלמוס, ארזאמאס-16, הוביל הפיזיקאי יולי חריטון את המאמץ המדעי לפתח נשק גרעיני. בריה לא נתן אמון במדעניו ובמידע המודיעיני שנאסף, ולכן הקצה צוותים כפולים של מדענים שעבדו על אותו פרויקט מבלי שיידעו אלה על אלה. אם הגיעו למסקנות שונות, עימת בין הצוותים לצורך דיון וויכוח על הממצאים. בריה השתמש במידע שנאסף על פרויקט מנהטן כאמצעי לבדוק ולפקח אחר התקדמות מדעניו. מאמציו לשכפל את הפרויקט האמריקני אף גרמו לו לוותר על פצצות בעלות מבנה טוב ויעיל יותר, רק בשל רצונו לדבוק בדגם פצצת "איש שמן" האמריקנית שהוכחה כיעילה.
ב-29 באוגוסט 1949, הניבו מאמצי הסובייטים פרי, כאשר ערכו ניסוי בפצצת ביקוע ראשונה שכונתה "Joe-1". הניסוי הקדים בשנים אחדות את ההערכות האמריקניות לגבי התקדמותם. ארצות הברית הייתה הראשונה לבשר על אודות הפצצה הסובייטית הראשונה, שכן זיהתה את הנשורת הגרעינית שנוצרה באתר הניסוי בסמיפלטינסק.
אובדן המונופול האמריקני על הנשק הגרעיני סימן את תחילת מרוץ החימוש הגרעיני. האמריקנים הגיבו בדאגה ובחשש כבד, אשר לימים הובילו למקרתיזם. עוד לפני כן הכריז הנשיא טרומן על החלטתו לפתוח בתוכנית קדחתנית לפיתוח פצצה בעלת עוצמה חזקה בהרבה מזו שהוטלה על יפן: פצצת המימן.
כלי הנשק התרמו-גרעיניים הראשונים.
כבר בשנת 1942, הועלה הרעיון של שימוש בנשק ביקוע על מנת להחל בתהליך של היתוך גרעיני. בכנס התאורטי הראשון בנושא פיתוח פצצת האטום בהנחיית רוברט אופנהיימר באוניברסיטת ברקלי, הוביל המשתתף אדוארד טלר את רוב הדיון לעבר הרעיון של אנריקו פרמי אודות פצצת על שתיישם את אותן תגובות אשר מתרחשות על גבי השמש. הסברה באותה תקופה הייתה שנשק ביקוע יהיה פשוט לפיתוח ושייתכן שניתן יהיה להשלים פיתוח של פצצת מימן עוד טרם תסתיים מלחמת העולם השנייה. ברם, הבעיה של פצצת אטום רגילה הייתה גדולה דיה על מנת להעסיק מדענים שנים מספר אחר כך ובעיית פצצת העל הייתה מורכבת אף יותר. רק טלר המשיך לעבוד על רעיון "פצצת העל" כנגד רצונם של מנהלי הפרויקט אופנהיימר ו.
לאחר הפצצת יפן, מרדו מדענים רבים בלוס אלמוס נגד הרעיון של יצירת נשק חזק בהרבה מהנשק הגרעיני הראשון. עבור המדענים היה הרעיון בעייתי הן מבחינה טכני והן מבחינה מוסרית. לטענתם, כלי נשק כזה יוכל לשמש רק נגד אוכלוסיות אזרחים גדולות ולכן אין הוא אלא נשק שמטרתו רצח עם. מדענים רבים כמו בתה גרסו שארצות הברית צריכה להימנע מפיתוח נשק זה ולהוות דוגמה לברית המועצות. המצדדים בנשק, ביניהם טלר, ארנסט לורנס ולואיס אלוורז, גרסו שפיתוח הנשק הוא בלתי נמנע, ומניעת הגנה ראויה מתושבי ארצות הברית - במיוחד לאור העובדה שברית המועצות בוודאי תייצר נשק שכזה - היא כשלעצמה בלתי מוסרית.
אופנהיימר, אשר היה ראש ועדת הייעוץ הכללית לפרויקט ההמשך של פרויקט מנהטן, הוועדה לאנרגיה אטומית, תמך בהתנגדות לפיתוח הנשק. הסיבות היו שהצלחת הטכנולוגיה נראתה מוגבלת באותה תקופה וכן שאופנהיימר האמין שהיכולות הגרעיניות של ארצות הברית יהיו יעילות יותר אם תתבססנה על שימוש בהרבה פצצות ביקוע במקום על שימוש בפצצת ענק אחת. אילו תפותח פצצה על ידי ארצות הברית וברית המועצות, היא תשמש יותר נגד ארצות הברית שכן בניגוד לברית המועצות בארצות הברית היו יותר אזורים תעשייה והתיישבות צפופים אשר יהוו מטרות אידיאליות לנשק החדש.
לבסוף, אמר הנשיא טרומן את המילה האחרונה, בחפשו תגובה הולמת לניסוי הגרעיני הסובייטי הראשון שנערך בשנת 1949. ב-31 בינואר 1950, הכריז טרומן על תוכנית מהירה לפיתוח פצצת מימן. בנקודת זמן זו, המנגנון המדויק עדיין לא היה ידוע: פצצת המימן הקלאסית, שבה החום של פצצת הביקוע ישמש להבערת חומר ההיתוך, הצטיירה כלא מעשית. ברם, המתמטיקאי סטניסלאב אולם מלוס אלמוס הראה שפצצת ביקוע ודלק היתוך יכולים להיות באזורים נפרדים של הפצצה, ושקרינה מפצצת הביקוע יכולה לשמש כדי לדחוס את חומר ההיתוך לפני הבערתו. טלר קידם את הרעיון צעד אחד קדימה ואישר בניסוי את ההיתוך של יסודות מימן כבדים. מדענים רבים שהיו בתחילה נגד הנשק החדש, כמו בתה ואופנהיימר, שינו את דעתם מתוך הבנה שההתפתחויות הן בלתי נמנעות.