בינתיים החלו הכימאים לחשוב על בעיית הפרדת הפלוטוניום מהאורניום, כשהתכונות הכימיות של הפלוטוניום כלל לא היו ידועות, וכשרק כמויות זעירות של פלוטוניום (רק גרמים ספורים) היו זמינות ב-1942. בשנה זו ובתנאים קשים אלו, פיתח צוות בראשות צ'ארלס קופר מהמעבדה המטלורגית של אוניברסיטת שיקגו, תהליך שבו אלקטרודה סלקטיבית של לנתן פלואורידי (LaF3) משמשת להפרדת פלוטוניום מאורניום, והקים מפעל הרצה קטן לייצור פלוטוניום בתהליך זה. תהליך ההפרדה השני, תהליך הפוספט ביסמוט, פותח לאחר מכן על ידי סיבורג וסטנלי תומסון. בתהליך זה הועבר הפלוטוניום בין שתי דרגות חמצון, 4+ ו־6+, בתמיסות של פוספט ביסמוט. בדרגת החמצון האחת הפלוטוניום שקע, ובשנייה הוא נותר בתמיסה וחומרים אחרים שקעו.
גרינוולט מחברת דופונט העדיף את תהליך הפוספט ביסמוט בשל האופי הקורוזיבי של לנתן פלואורידי, והוא נבחר למפעלי ההפרדה של הנפורד. כשמפעל X-10 באוק רידג' התחיל לייצר פלוטוניום, הפך מפעל ההרצה במעבדה המטלורגית למתקן ניסוי ומחקר. הייצור הראשון של פלוטוניום התבצע ביעילות של 40%, אך תוך מספר חודשים עלתה היעילות ל-90%.
בהנפורד ניתנה תחילה עדיפות עליונה למתקנים בשטח 300. זה כלל מבנים לבדיקת חומרים, להכנת אורניום, ולהרכבה ולכיול מכשירים. באחד המבנים שוכן ציוד לציפוי גושי אורניום, והאחר הכיל כור בדיקה קטן. למרות העדיפות הגבוהה שהוקצתה לו, העבודה על שטח 300 לא עמדה בלוח זמנים, בשל האופי הייחודי והמורכב של מתקניו ובשל מחסור בכוח אדם ובחומרים בעת מלחמה.
על פי תוכניות מוקדמות תוכננו להיבנות ארבעה מפעלי הפרדה, שניים בכל אחד מהשטחים הידועים כשטח 200-מערב ושטח 200-מזרח. בפועל נבנו שלושה מפעלים בסך הכול, שני מפעלי הפרדה T ו-U בשטח 200-מערב, ומפעל הפרדה B (יחיד) בשטח 200-מזרח. כל מפעל הפרדה כלל ארבעה בניינים: בניין תאי התהליך או "קניון" (שנקרא 221), בניין ריכוז (224), בניין טיהור (231) וחנות עיתונים (213). המבנה העיקרי במפעל ההפרדה, הקניון, היה באורך של 240 מטר וברוחב של 20 מטר, וכלל 40 תאים בגודל 5.4 × 4.0 × 6.1 מטר כל אחד.
העבודה החלה ב־221-T וב־221-U, והתבצעה מינואר עד דצמבר 1944. בניין 221-B הושלם במרץ 1945. בשל רמת הרדיואקטיביות הגבוהה, כל העבודה במפעלי ההפרדה התבצעה באמצעות שלט רחוק תוך שימוש בטלוויזיה במעגל סגור, טכנולוגיה שהייתה חדשנית לחלוטין בשנת 1943. התחזוקה בוצעה בסיוע של עגורני גשר וכלי עבודה שתוכננו במיוחד למשימתם. מבני 224 היו קטנים יותר ופחות רדיואקטיביים, ולכן פשוטים יותר לבנייה. מבנים 224-T ו־224-U הושלמו ב-8 באוקטובר 1944, ו-224-B ב-10 בפברואר 1945. שיטות הטיהור ששימשו בסופו של דבר ב־231-W עדיין לא היו ידועות בתחילת בנייתו ב-8 באפריל 1944, אך המפעל הושלם והשיטות נבחרו עד סוף השנה. ב-5 בפברואר 1945 מסר מתיאס אישית בלוס אנג'לס את המשלוח הראשון של 80 גרם של פלוטוניום חנקתי ברמת ניקיון של 95% לשליח מיוחד שהעבירם ללוס אלמוס.
תכנון הפצצה.
ב-1943 הופנו מאמצי הפיתוח לפצצת ביקוע מסוג מנגנון ירי עם פלוטוניום, שכונתה "איש רזה" ("Thin Man"). המחקר הראשוני של תכונות הפלוטוניום נעשה על פלוטוניום-239 שיוצר בציקלוטרון. הפלוטוניום שנוצר היה טהור למדי, אך ניתן היה לייצר ממנו רק כמויות מזעריות. מעבדות לוס אלמוס קיבלו את הפלוטוניום מכור הגרפיט X-10 שבאוק רידג' באפריל 1944, אך תוך כמה ימים גילה אמיליו סגרה בעיה: לפלוטוניום שנוצר בכור היה ריכוז גבוה של פלוטוניום-240, שגרם לקצב גבוה עד פי חמישה של ביקועים ספונטניים יחסית לפלוטוניום הטהור שנוצר בציקלוטרון. סיבורג צפה מראש כבר במרץ 1943 שחלק מהפלוטוניום-239 יספוג נייטרון ויהפוך לפלוטוניום-240.
הדבר הפך את הפלוטוניום מהכור לבלתי מתאים לפצצת מנגנון ירי. הפלוטוניום-240 יתחיל בה תגובת שרשרת מהר מדי, ויגרום לפיצוץ מוקדם שישחרר כמות כזאת של אנרגיה שהמסה הקריטית תתפזר, ורק כמות קטנה מדי של פלוטוניום תגיב (מצב של כישלון הפיצוץ הגרעיני). הוצע ירי מהיר יותר, אך זה נמצא לא מעשי. נשקלה גם האפשרות להפריד את האיזוטופים, אך גם היא נדחתה, מכיוון שהפרדה של פלוטוניום-240 מפלוטוניום-239 קשה אף יותר בהשוואה להפרדת אורניום-235 מאורניום-238.
עבודה על שיטה חלופית של תכנון הפצצה, הידועה כפצצה מסוג מנגנון קריסה, החלה עוד קודם בהנחייתו של הפיזיקאי סת נדרמאייר . המנגנון מבוסס על ליבת מסה תת-קריטית של פלוטוניום, שעטופה בשכבת חומר נפץ. חומר הנפץ שמסביב לליבה מוצת בו-זמנית, ויוצר בכך לחץ סימטרי עצום על ליבת הפלוטוניום. ליבת הפלוטוניום נדחסת, צפיפותה גדלה, ונוצרת מסה קריטית במהירות גדולה יותר (בהשוואה לשיטת מנגנון הירי), המאפשרת את תגובת השרשרת של הביקוע הגרעיני. חקירותיו של נדרמאייר מ-1943 ותחילת 1944 על מנגנון הקריסה נראו מבטיחות, אך גם הבהירו שהבעיה תהיה הרבה יותר קשה מבחינה תאורטית והנדסית מאשר בתכנון מנגנון הירי. בספטמבר 1943, ג'ון פון נוימן, שהיה לו ניסיון עם מטענים חלולים של פגזים חודרי שריון, טען כי מנגנון קריסה לא רק יפחית את הסכנה של פיצוץ מוקדם מדי ולפיכך של כישלון הפיצוץ, אלא אף ישתמש באופן יעיל יותר בחומר הביקוע. הוא הציע להשתמש בתצורה כדורית ולא בתצורה הגלילית שעליה עבד נדרמאייר.
ביולי 1944 הגיע אופנהיימר למסקנה שלא ניתן להשתמש בפלוטוניום בפצצת מנגנון ירי, ובחר בפצצת מנגנון קריסה. המאמץ המואץ על תכנון פצצת קריסה, בשם קוד "איש שמן", החל באוגוסט 1944, ואופנהיימר ביצע ארגון מחדש מקיף של מעבדת לוס אלמוס כדי להתמקד בפצצת קריסה. שתי קבוצות חדשות הוקמו בלוס אלמוס כדי לפתח את פצצת הקריסה. חטיבה X (עבור eXplosives, חומרי נפץ) בראשות מומחה חומרי נפץ ג'ורג' קיסטיאקובסקי , וחטיבה G (עבור גאדג'ט) בראשות רוברט באכר. בתכנון החדש של פון נוימן וחטיבה T (עבור תאורטי), ובה בעיקר רודולף פיירלס, הומצאו עדשות נפץ , המשמשות למיקוד התפוצצות חומרי הנפץ על מטרה כדורית, תוך שילוב קפדני וסלקטיבי של חומרי נפץ איטיים ומהירים.
תכנון העדשות כך שיתפוצצו בצורה ובמהירות הנכונות, התברר כמאמץ תכנוני קשה ומתסכל. נבדקו חומרי נפץ שונים, ולבסוף הוחלט להשתמש ב'הרכב B' כחומר הנפץ המהיר, וב'ברטול' כחומר הנפץ האיטי. התכנון הסופי דמה לכדור כדורגל עם 20 עדשות בצורת משושה ו-12 בצורת מחומש, כשכל עדשה שוקלת כ-36 ק"ג. השגת פיצוץ מדויק חייבה שימוש בנפצים חשמליים מהירים, אמינים ובטוחים, ולהגדלת האמינות הותקנו שני נפצים בכל עדשה. הוחלט, לפיכך, להשתמש בנפצים מחווטים נפיצים , המצאה חדשה שפותחה בלוס אלמוס על ידי קבוצה בראשות לואיס אלוורז. חוזה לייצורם ניתן לחברת ריית'און.
כדי לחקור את ההתנהגות של גלי ההלם המתכנסים, המציא רוברט סרבר את ניסוי ראלה , שהשתמש באיזוטופ הרדיואקטיבי קצר-הזמן, לנתן-140, שהוא מקור חזק של קרינת גמא. איזוטופ הלנתן הוכנס למרכז כדור מתכת מוקף בעדשות נפץ, והכדור הוצב בתוך תא יינון. זה איפשר צילום בקרני רנטגן של סרטון המראה את תהליך הקריסה. העדשות תוכננו בעיקר באמצעות המידע שסיפקה סדרת ניסויים זו. בספר שהוציא על תולדותיו של פרויקט לוס אלמוס, כתב דייוויד הוקינס : "ראלה (RaLa) הפך לניסוי היחיד החשוב ביותר שהשפיע על התכנון הסופי של הפצצה".
לתוך חומרי הנפץ הוכנס גוש אלומיניום בעובי 110 מ"מ, שאיפשר מעבר מהיר וחלק מחומר הנפץ שהיה בצפיפות נמוכה יחסית לשכבה הבאה, שבה היה אורניום טבעי דחוס בעובי של 76 מ"מ. תפקידו העיקרי היה להחזיק את המסה הקריטית יחד זמן רב ככל האפשר, אך הוא גם החזיר נייטרונים חזרה לליבה (פעל כרפלקטור של נייטרונים). חלק ממנו היה עשוי להתבקע גם כן. כדי למנוע פיצוץ מוקדם על ידי נייטרון חיצוני, צופה האורניום הדחוס בשכבה דקה של המטלואיד בור. פולט נייטרונים העשוי מסגסוגת של פולוניום-בריליום, שכונה "קיפוד" בשל צורתו הדומה לקיפוד ים, פותח כדי להתחיל את תגובת השרשרת בדיוק ברגע הנכון. עבודה זו, שכללה מחקר כימי ומטלורגי של היסוד הרדיואקטיבי פולוניום, נוהלה על ידי צ'ארלס אלן תומאס מחברת מונסנטו, ונקראה בהמשך פרויקט דייטון , על שם העיר דייטון שבה התבצעה. במחקר נדרשו בדיקות רדיואקטיביות של פלוטוניום של עד 500 קירי לחודש, שמונסטו יכלה לבצע. כל המרכיבים הוכנסו למארז פצצה שעשוי מסגסוגת אלומיניום, כדי להגן עליהם מפני קליעים ואש.
המשימה העיקרית של חוקרי המטלורגיה הייתה לקבוע כיצד להטיל פלוטוניום לתוך כדור. הקשיים התבררו ביתר שאת כשהניסיונות למדוד את צפיפות הפלוטוניום נתנו תוצאות לא עקביות. תחילה היה נראה שהגורם לכך הוא זיהום, אך די מהר הסתבר שהסיבה קשורה בריבוי האלוטרופים של פלוטוניום. שלב α השברירי, שקיים בטמפרטורת החדר, משתנה לשלב β הגמיש בטמפרטורות גבוהות יותר. בהמשך עברה תשומת הלב לשלב δ החריף יותר, שבדרך כלל קיים בטווח 300° עד 450° צלזיוס. נמצא שפלוטוניום יציב בטמפרטורת החדר כאשר הוא משולב עם אלומיניום, אלא שאלומיניום פולט נייטרונים כאשר הוא מופגז על ידי חלקיקי אלפא, מצב שיחריף את בעיית הסיכוי לפיצוץ מוקדם. עם התקדמות המחקר גילו המטלורגים שסגסוגת פלוטוניום-גליום מייצבת את שלב δ, ואף ניתן ליצור בה את הצורה הכדורית הרצויה בלחיצה תחת חום. בנוסף, כשהתברר שפלוטוניום עובר קורוזיה בקלות, צופה הכדור בניקל.