אף שרעיון פצצת הביקוע הגרעיני נחשב לאפשרי ופתור באופן תאורטי — לפחות עד שיגיעו נתונים נוספים מניסויים ממשיים — הביא הכינוס בברקלי לשינוי בכיוון. אדוארד טלר לחץ לדיון בפצצת ניסוי חזקה יותר ב-1942. הפצצה, שכונתה "פצצת מימן", תשתמש בחומר נפץ של פצצת ביקוע כדי להצית תגובה של היתוך גרעיני בדאוטריום ובטריטיום, שהם שני איזוטופים של מימן. טלר הציע מספר תוכניות, אך בתה התנגד לכל אחת מהן. רעיון ההיתוך נזנח מעט כדי להתרכז בייצור פצצות ביקוע. טלר גם העלה השערה ספקולטיבית מרחיקת לכת, שפיצוץ גרעיני עלול להצית את האטמוספירה של כדור הארץ, בשל תגובת היתוך היפותטית של גרעיני אטומים של חנקן. בתה חישב ומצא שדבר כזה אינו אפשרי, והוצא דו"ח שטלר השתתף בכתיבתו, שהראה ש"אין היתכנות סבירה שתתחיל תגובת שרשרת גרעינית המופצת עצמית".
ארגון - מפקדים ומנהלים.
מחוז מנהטן.
ביוני 1942 בחר המהנדס הראשי של הצבא, מייג'ור גנרל יוג'ין רייבולד , בקולונל ג'יימס מרשל לראש החלק הצבאי בפרויקט. מרשל יצר משרד-קשר בבניין משרד המלחמה בוושינגטון, והקים מטה זמני ברובע מנהטן שבניו יורק, שם היה יכול לקבל תמיכה מנהלית מחטיבת ההנדסה הצפון אטלנטית. במקום זה הוא גם היה קרוב למשרדי סטון אנד ובסטר, הקבלן הראשי של הפרויקט, ולאוניברסיטת קולומביה. הוא מינה את לוטננט קולונל קנת ניקולס לסגנו.
כיוון שרוב משימותיו היו קשורות לבנייה, עבד מרשל בשיתוף עם ראש חטיבת הבינוי של חיל ההנדסה, מייג'ור גנרל תומאס רובינס, ועם סגנו, קולונל לסלי גרובס. סומרוול, רייבולד וסטייר החליטו לקרוא לפרויקט "פיתוח מעבדתי של חומרים חלופיים" (DSM), אך גרובס הרגיש ששם זה ימשוך תשומת לב. כיוון שפרויקטים הנדסיים נקראו בדרך כלל על שם העיר שבה הם שוכנים, הסכימו מרשל וגרובס שהמרכיב הצבאי בפרויקט יקרא "מחוז מנהטן" (Manhattan District). באופן לא רשמי, הוא היה ידוע כ"מחוז הנדסי מנהטן" (MED), ושלא כמו מחוזות אחרים בחיל ההנדסה לא היו לו גבולות גאוגרפיים מוגדרים. "פיתוח מעבדתי של חומרים חלופיים" נשאר שם-הקוד הרשמי של הפרויקט בכללותו, אך שמו הוחלף במשך הזמן ל"פרויקט מנהטן".
מאוחר יותר הודה מרשל כי "מעולם לא שמעתי על ביקוע אטומי, אבל ידעתי שאי אפשר לבנות מפעל, ובוודאי לא ארבעה מפעלים, תמורת 90 מיליון דולר". צוות של סטון אנד ובסטר כבר סקר והמליץ על אתר עבור מפעלי הייצור. מועצת הייצור המלחמתית המליצה על אתרים סביב נוקסוויל שבטנסי, אזור מבודד שבו רשות עמק טנסי יכלה לספק חשמל בשפע והנהרות בו יכלו לספק מים לקירור הכורים. לאחר בחינת מספר אתרים, בחר צוות הסקר אתר ליד אלזה שבטנסי. קונאנט יעץ שאתר זה יירכש מיד, אך מרשל השתהה, והחליט להמתין לתוצאות ניסויי הכורים שביצע קונאנט לפני שינקוט בפעולה. מבין תהליכי ההפרדה הפוטנציאליים, רק ההפרדה האלקטרומגנטית של לורנס נראתה מתקדמת ובשלה מספיק כדי להתחיל בנייה של מפעל ייצור המבוסס עליה.
מרשל וניקולס החלו להרכיב את המשאבים שיידרשו לפרויקט. הצעד הראשון היה להשיג עבורו דירוג גבוה של עדיפות צבאית. הדירוגים העליונים היו AA-1 עד AA-4 בסדר יורד. דירוג העדיפות שהושג היה AA-3, ודירוג חירום מיוחד, AAA, למצבים שבהם יתעורר צורך בחומרים קריטיים. ניקולס ומרשל התאכזבו מהדירוג, שהיה נמוך ממה שציפו.
ועדת המדיניות הצבאית.
וניבר בוש לא היה מרוצה מאי-יכולתו של מרשל להניע את הפרויקט במהירות, ובמיוחד מהתמהמהותו ברכישת האתר בטנסי, מהעדיפות הנמוכה שהקצה הצבא לפרויקט, וממקום המטה שלו בניו יורק. בוש הרגיש שיש צורך במנהיגות אגרסיבית יותר, ודיבר על כך עם הארווי באנדי ועם הגנרלים מרשל, סומרוול וסטייר. הוא רצה שהפרויקט יעמוד תחת ועדת מדיניות בכירה, ושקצין בעל יוקרה, עדיף סטייר, יעמוד בראשו.
סומרוול וסטייר בחרו בלסלי גרובס לתפקיד ראש הפרויקט, והודיעו לו על כך ב-17 בספטמבר 1942. גרובס גם קודם לדרגת בריגדיר גנרל, משום שהורגש שהתואר "גנרל" ישפיע לטובה על מדענים וחוקרים העובדים בפרויקט. גרובס היה עתה בפיקודו הישיר של סומרוול, וקולונל מרשל היה תחת פיקודו של גרובס. גרובס הקים את מפקדתו בוושינגטון, בקומה החמישית של בניין מחלקת המלחמה, שם היה לקולונל ג'יימס מרשל משרד קישור. גרובס מונה רשמית לראש פרויקט מנהטן ב-23 בספטמבר 1942, וזומן לוועדת מדיניות צבאית שזימן מזכיר המלחמה הנרי סטימסון. טולמן וקונאנט מונו מאוחר יותר ליועצים המדעיים של גרובס.
ב-19 בספטמבר פנה גרובס לדונלד נלסון, יו"ר מועצת הייצור המלחמתי, וביקש סמכות להנפיק עדיפות AAA בכל פעם שנדרש. נלסון נרתע תחילה, אך מיהר לסגת כאשר גרובס איים ללכת לנשיא. לאחר מסע שכנוע ארוך קיבל גרובס, רק ב-1 ביולי 1944, את הסמכות לעדיפות AA-1.
אחת הבעיות הראשונות של גרובס הייתה למצוא מנהל לפרויקט Y, הקבוצה שתתכנן ותבנה את הפצצה בלוס אלמוס. הבחירה הברורה הייתה של אחד משלושת ראשי המעבדה, הרולד יורי, ארנסט לורנס או ארתור קומפטון, אך אי אפשר היה לוותר עליהם בתפקידם באותה עת. קומפטון המליץ על רוברט אופנהיימר, שכבר הכיר מקרוב את עקרונות תכנון הפצצה. עם זאת, לאופנהיימר היה ניסיון ניהולי מועט, ובניגוד ליורי, לורנס וקומפטון, לא זכה בפרס נובל, סטטוס שמדענים רבים חשו כי ראש מעבדה חשובה שכזאת צריך לשאת. היו גם חששות לגבי סיווגו הביטחוני של אופנהיימר, שכן רבים מחבריו היו קומוניסטים, בהם אחיו, פרנק אופנהיימר; אשתו, קיטי; וחברתו, ז'אן טטלוק. שיחה ממושכת ברכבת באוקטובר 1942 שכנעה את גרובס וניקולס שאופנהיימר מבין היטב את הסוגיות הכרוכות בהקמת מעבדה באזור נידח, ויש למנותו למנהל שלה. גרובס אישית ויתר על דרישות הביטחון, הוציא לאופנהיימר אישור ביטחוני ב-20 ביולי 1943, ומינה אותו למנהל מעבדת לוס אלמוס.
האתרים שבהם התבצע הפרויקט.
לפרויקט היו יותר מ-30 אתרים פעילים, רובם המכריע בארצות הברית, אך גם בבריטניה ובקנדה. האתרים המרכזיים היו:
אוק רידג'.
יום לאחר שקיבל את ניהול הפרויקט, בחן גרובס מקרוב את האתר המוצע בטנסי והתרשם לטובה. ב-29 בספטמבר 1942 אישר תת-מזכיר המלחמה, רוברט פטרסון, את רכישת השטח בגודל של 56,000 אקר (כ-227 קמ"ר) על ידי הפקעה, בעלות מוערכת של 3.5 מיליון דולר. כ-1,000 משפחות הושפעו מצו ההפקעה, שנכנס לתוקף ב-7 באוקטובר. מחאות, פניות משפטיות וחקירת קונגרס ב-1943 לא הועילו. כמה משפחות קיבלו הודעה של שבועיים מראש בלבד לפינוי חוות שהיו בתיהן במשך דורות רבים. בסופו של דבר נרכש שטח כולל של 58,900 אקר (כ-238.4 קמ"ר), ושולמו בפועל כ-2.6 מיליון דולר, שהם כ-11 דולר לדונם. ב'כרוז ציבורי' מס' 2 נקבע שאוק רידג' היא שטח צבאי סגור, ואיש אינו יכול להיכנס אליה ללא אישור צבאי. כשהוצג הצו למושל טנסי, פרנטיס קופר, הוא קרע אותו בזעם והשליך אותו לפח.
בתחילת 1943 נקבע שמו הרשמי של האתר ל"קלינטון עבודות הנדסיות" (CEW). חברת סטון אנד ובסטר התרכזה בבניית מתקני הייצור הגדולים, וחברת האדריכלות וההנדסה סקידמור, אוֹוינג ומריל תכננה ובנתה קהילת מגורים ל-13,000 אנשים. בתי המגורים שכנו על מורדות הרכס בלאק אוק, שממנו קיבלה העיר החדשה את שמה, אוק רידג' (Oak Ridge = רכס אלון).
עיקר הייצור באוק רידג' התרכז בשלושה מפעלים ענקיים להעשרת אורניום. מספר העובדים באתר גדל במהרה הרבה מעבר למה שתוכנן בתוכניות הראשונות, והגיע לשיאו במאי 1945, כשהועסקו בו כ-80,000 עובדים.
לוס אלמוס.
משהוחלט שמעבדות הפרויקט לא יהיו באוק רידג' אלא במקום מרוחק, התרכז חיפוש האתר בסביבות אלבקרקי שבניו מקסיקו, אזור שאופנהיימר אהב ואף הייתה לו בו חווה. ב-16 בנובמבר סיירו אופנהיימר, גרובס, דאדלי ואחרים באתר ליד ג'מז ספרינגס, אך אופנהיימר חשש שהצוקים הגבוהים המקיפים את המקום יגרמו לאנשיו תחושת קלסטרופוביה, והמהנדסים היו מודאגים מהאפשרות לשיטפונות ולהצפה. לאחר מכן עברה הקבוצה לסביבת בית הספר לוס אלמוס, שהיה בית ספר כפרי לבנים. אופנהיימר התרשם מהמקום, העדיף אותו על פני כל מה שראה עד כה, וציין את יופיו הטבעי ואת הנופים הנשקפים ממנו על הרי סנגרה דה קריסטו . המהנדסים היו מודאגים מכביש הגישה הצר והמשובש, וחששו מקשיים באספקת המים. פרט לכך כולם חשו שהמקום אידיאלי.
פטרסון אישר את רכישת האתר ב-25 בנובמבר 1942. נרכשו כ-185 קמ"ר בעלות של 415,000 דולר. הבנייה החלה בדצמבר 1942, וגרובס הקצה לה 300,000 דולר ותאריך יעד לסיום ב-15 במרץ 1943. די מהר התברר שהיקף הבנייה גדול בהרבה, וכשהסתיימה ב-30 בנובמבר 1943, עלותה הייתה מעל 7 מיליון דולר.
מטעמי סודיות נקראה מעבדת לוס אלמוס "פרויקט Y" או "הגבעה". בתעודות לידה של תינוקות שנולדו בה בזמן המלחמה, צוין מקום הלידה כתא דואר 1663 בסנטה פה. במודל הארגוני ההתחלתי הייתה המעבדה אמורה להיות מעבדה צבאית, והמדענים היו אמורים להיחשב אנשי צבא. אופנהיימר הרחיק לכת עד כדי כך שהזמין לעצמו מדים של לוטננט קולונל. אלא ששני פיזיקאים מרכזיים, רוברט באכר ואיזידור רבי, התנגדו לרעיון. קונאנט, גרובס ואופנהיימר החליטו לבסוף על פשרה שלפיה המעבדה תהיה מעבדה אזרחית שתופעל על ידי אוניברסיטת קליפורניה, אך תעבוד בחוזה עם משרד המלחמה.
הנפורד.
בדצמבר 1942 התעורר חשש שאוק רידג' קרובה מדי למרכז אוכלוסייה גדול (העיר נוקסוויל), במקרה של תאונה גרעינית. גרובס גייס את דופונט בנובמבר 1942 כקבלן ראשי לבניית קומפלקס הפלוטוניום, ודופונט המליצה שהאתר יהיה רחוק ממצבור האורניום הגדול שבאוק רידג'. בדצמבר 1942 שלח גרובס את קולונל פרנקלין מתיאס ואת מהנדסי דופונט לאתר מקומות פוטנציאליים חלופיים.