גילוי הביקוע הגרעיני על ידי הכימאים הגרמנים אוטו האן ופריץ שטרסמן ב-1938, והתאוריה של התהליך שפיתחו ליסה מייטנר ואוטו פריש, הפכו את הפיתוח של פצצה אטומית לאפשרות סבירה באופן תאורטי. בתהליך זה נבקע גרעין האטום כאשר פוגע בו נייטרון, וחלק מן המסה של הגרעין הופכת לאנרגיה. בסוף שנות השלושים של המאה ה־20 החלה להתברר עוצמתו של התהליך. היו חששות, במיוחד בקרב פיזיקאים, בעיקר יהודים, שברחו מגרמניה הנאצית וממדינות פאשיסטיות אחרות, שפרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית יביא לפיתוח פצצה ראשונה שכזו בידי הגרמנים. הם ידעו מניסיונם כי המחקר בתחום זה בגרמניה מתקדם ביותר. רבים מהם חשו על בשרם את אימת המשטר הנאצי, והבינו היטב שאם תינתן הפצצה בידי אדולף היטלר, הוא לא יהסס להשתמש בה. שלושה פיזיקאים יהודים ילידי הונגריה שהגיעו לארצות הברית, לאו סילארד, אדוארד טלר ויוג'ין ויגנר, וכן הפיזיקאי היהודי-צ'כי ג'ורג' פלאצ'ק, הבינו את חשיבותו ומרכזיותו של האיזוטופ אורניום-235, שכתוצאה מתהליך ביקועו עלולה להיווצר "תגובת שרשרת": הגרעין המתבקע פולט שני נייטרונים או יותר, נייטרונים אלה או חלק מהם עשויים לפגוע בגרעינים נוספים ולבקעם, וכך הלאה. אם המסה של החומר הבקיע גדולה די הצורך ("מסה קריטית"), תשתחרר מהתהליך בתוך זמן קצר כמות עצומה של אנרגיה. המסקנה כי ניתן לרתום את עוצמת האנרגיה המשתחררת בתגובת השרשרת ליצירת נשק רב עוצמה, הייתה מהירה.
באוגוסט 1939 ניסחו הפיזיקאים לאו סילארד ויוג'ין ויגנר את מכתב איינשטיין-סילארד שהזהיר את הנשיא פרנקלין רוזוולט מפני פיתוח אפשרי של "פצצה בעלת עוצמה גדולה במיוחד מסוג חדש", שגרמניה הנאצית עלולה לפתח ראשונה. במכתב הם מתריעים שעל ארצות הברית לנקוט בצעדים להשגת מצבורים של עפרות אורניום, וממליצים לזרז את המחקר של אנריקו פרמי ומדענים אחרים בתחום תגובות שרשרת גרעיניות. הם שכנעו את אלברט איינשטיין לחתום על המכתב, והעבירו אותו לנשיא רוזוולט ב-2 באוגוסט 1939. רוזוולט מינה את ליימן בריגס ממשרד התקנים הלאומי האמריקני לראש ועדת הייעוץ בנושא אורניום שתבדוק את כל הנושאים שעלו במכתב. בריגס ערך פגישה ב-21 באוקטובר 1939, שבה נכחו גם סילארד, ויגנר ואדוארד טלר. הוועדה דיווחה לרוזוולט בנובמבר שאורניום "יספק מקור אפשרי לפצצות עם כוח הרס גדול בהרבה מכל מה שידוע עד עתה".
ב-27 ביוני 1940 הפכה ועדת הייעוץ ל"ועדת המחקר להגנה לאומית בנושא אורניום" (NDRC). בריגס המליץ על השקעה ראשונית של 167,000 דולר למחקר האורניום, במיוחד של האיזוטופ אורניום-235, ושל יסוד שהתגלה באותם ימים, פלוטוניום. ב-28 ביוני 1941 חתם רוזוולט על צו ביצועי שעל פיו הוקם המשרד למחקר ופיתוח מדעי (OSRD) בראשות המהנדס וניבר בוש, וה-NDRC הוכפפה אליו כאגף המחקר S-1. המשרד הוסמך לעסוק גם בפרויקטים הנדסיים גדולים לפי הצורך, בנוסף לפעילותו המחקרית. בצו הושמטה המילה "אורניום" מטעמי ביטחון.
בבריטניה ביצעו אוטו פריש ורודולף פיירלס מאוניברסיטת ברמינגהאם פריצת-דרך ביוני 1939, בחקירת המסה הקריטית של אורניום-235. על פי חישוביהם היא הייתה בסדר גודל של 10 קילוגרם, משקל קטן מספיק שיאפשר לשאתו במטוס הפצצה. התזכיר שכתבו במרץ 1940 הביא להקמת פרויקט הגרעין הבריטי, ואת כינונה של ועדת MAUD הבריטית, שהמליצה פה אחד על פיתוח פצצה אטומית. באותה עת היה הפרויקט הבריטי מעט גדול יותר ומתקדם יותר מהפרויקט האמריקאי.
החל מיולי 1940 אפשרה בריטניה למדענים אמריקניים גישה למחקר המדעי שבוצע בה, ולכל הממצאים המדעיים שהשיגה בנושא, כולל לממצאי ועדת MAUD. אחד מחברי הוועדה, הפיזיקאי האוסטרלי מרק אוליפנט, טס לארצות הברית בסוף אוגוסט 1941, ולתדהמתו גילה שהמידע שהועבר מאנגליה לא הגיע כלל לפיזיקאים אמריקאים בכירים. כתוצאה מכך הוא ביקש וקיבל פגישה עם ועדת האורניום האמריקאית, וביקר בברקלי, שם הוא דיבר עם ארנסט לורנס. לורנס התרשם מספיק כדי להתחיל לחקור את האורניום בעצמו, ואף דיבר על כך עם ג'יימס קונאנט, ארתור קומפטון וג'ורג' פגרם . שליחותו של אוליפנט הייתה, לפיכך, מוצלחת; פיזיקאים אמריקאים חשובים החלו להיות מודעים לכוח הפוטנציאלי הגדול של הפצצה האטומית.
ב-9 באוקטובר 1941 אישר רוזוולט את התוכנית האטומית לאחר פגישה שכינס עם וניבר בוש וסגן הנשיא הנרי וולאס. לצורך שליטה על התוכנית יצר רוזוולט "קבוצת מדיניות עליונה" שעמד בראשה (אף שמעולם לא השתתף בהמשך בכינוסיה), וכללה את וולאס, בוש, נשיא אוניברסיטת הרווארד הכימאי ג'יימס קונאנט, מזכיר המלחמה הנרי סטימסון, וראש מטה הצבא הגנרל ג'ורג' מרשל. רוזוולט בחר בזרוע הצבא של הכוחות המזוינים (ולא בזרוע חיל הים) להפעיל את הפרויקט, מכיוון שלצבא היה ניסיון גדול יותר בניהול פרויקטי ייצור ובנייה בהיקף רחב. הוא גם הסכים לתיאום מאמצים עם הבריטים, וב-11 באוקטובר 1941 שלח הודעה לווינסטון צ'רצ'יל שבה הציע שיתכתבו ויהיו מתואמים ביניהם בנושאי האטום.
הצעות לבדיקת היתכנות הפצצה.
לאחר ההתקפה היפנית על פרל הארבור ב-7 בדצמבר 1941 והכרזת המלחמה של ארצות הברית על יפן ועל גרמניה, כונסה ב-18 בדצמבר באגף המחקר S-1 פגישה "חדורה באווירת התלהבות ובתחושת דחיפות". המחקר להפרדת האיזוטופ אורניום-235 מתוך עפרת האורניום-238 התקדם בשלוש טכניקות. ארנסט לורנס וקבוצת המחקר שלו באוניברסיטת קליפורניה בברקלי חקרו הפרדה באמצעים אלקטרומגנטיים, בעוד שקבוצת המחקר של אגר מרפרי וג'סי וייקפילד בימס בדקו הפרדה באמצעות דיפוזיה גזית באוניברסיטת קולומביה שבניו יורק, ופיליפ אייבלסון הוביל מחקר שהתבסס על דיפוזיה תרמית במכון קרנגי למדע בוושינגטון, ובהמשך במעבדות חיל הים.
בינתיים נפתחו גם שני מסלולי מחקר על טכנולוגיות לפיתוח כור גרעיני. הרולד יורי המשיך במחקר על מים כבדים באוניברסיטת קולומביה, וארתור קומפטון הביא מדענים מאוניברסיטאות קליפורניה, קולומביה ופרינסטון לקבוצת מחקר תחת ניהולו באוניברסיטת שיקגו. הוא הקים בה בתחילת 1942 מעבדת מטלורגיה לחקר פלוטוניום וכורים, ושימוש בגרפיט כחומר ממתן מהירות נייטרונים. בריגס, קומפטון, לורנס, מרפרי ויורי נפגשו ב-23 במאי 1942 כדי לנסח סופית את המלצותיה של ועדת המחקר S-1, שבהן היא קראה להמשיך בפיתוח כל חמש הטכנולוגיות שנחקרו. ההמלצות אושרו על ידי בוש, קונאנט, ובריגדיר גנרל וילהלם סטייר , ראש מטה אגף שירות ואספקה של מייג'ור-גנרל ברהון סומרוול , שגם מינה נציג צבאי לענייני גרעין. בוש וקונאנט העבירו את ההמלצות ל"קבוצת המדיניות העליונה", עם הצעה לתקציב של 54 מיליון דולר לבנייה לחיל ההנדסה של זרוע הצבא, ועוד 31 מיליון דולר למחקר ופיתוח ל-OSRD, והיא העבירה זאת ב-17 ביוני לנשיא רוזוולט, שאישר אותם מיידית.
עקרונות התכנון.
קומפטון ביקש מהפיזיקאי התאורטי רוברט אופנהיימר מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי לקחת על עצמו את המחקר על החישובים הקשורים בנייטרונים מהירים — המפתח לחישוב המסה הקריטית והיתכנות הפיצוץ — שבוצע עד אז בידי גרגורי ברייט. ברייט נאלץ לעזוב ב-18 במאי 1942 בשל חששות הקשורים לביטחון מידע. ג'ון מנלי, פיזיקאי במעבדה המטלורגית בשיקגו, מונה לעוזרו של אופנהיימר לתיאום ניסויים פיזיקליים שביצעו קבוצות שהיו מפוזרות ברחבי המדינה. אופנהיימר ורוברט סרבּר מאוניברסיטת אילינוי בחנו את הבעיות של דיפוזיה של נייטרונים — איך נייטרונים נעים בעת תגובת שרשרת גרעינית, וכן בעיות של הידרודינמיקה — איך פיצוץ שנוצר מתגובת שרשרת עשוי להתנהג. ביולי 1942 כינסו אופנהיימר ופרמי פגישות באוניברסיטת שיקגו ובאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, כדי לדון בעבודתם ובתאוריה הכללית של ביקוע גרעיני, עם הפיזיקאים התאורטיים הנס בתה, ג'ון ואן ולק, אדוארד טלר, אמיל קונופינסקי, רוברט סאבר, סטאן פרנקל ואלדרד נלסון, ועם הפיזיקאים הניסויים אמיליו סגרה, פליקס בלוך, פרנקו רזטי, ג'ון מלני ואדווין מקמילן. הם אישרו עקרונית שפצצת ביקוע אפשרית באופן תאורטי.
נושאים רבים סביב פיתוח הפצצה היו עדיין בלתי פתורים או בלתי ידועים. התכונות של אורניום-235 טהור היו יחסית לא ידועות, וכך גם לגבי פלוטוניום, יסוד שהתגלה רק בפברואר 1941 על ידי גלן סיבורג וצוותו. המדענים שהשתתפו בפגישת יולי 1942 בברקלי שכינסו אופנהיימר ופרמי, חזו הפקת פלוטוניום בכורים גרעיניים שבהם אטומי אורניום-238 סופגים נייטרונים שנפלטו מביקוע של אטומי אורניום-235. בשלב זה עדיין לא נבנו כורים, ולרשות המדענים היו רק כמויות מזעריות של פלוטוניום מציקלוטרונים. אפילו בדצמבר 1943, יוצרו ועמדו לרשותם רק שני מיליגרם של פלוטוניום. היו דרכים רבות לאגד את החומר הבקיע לתוך מסה קריטית. הדרך הפשוטה הייתה לירות "מצת גלילי" באמצעות "מדחס" לתוך תווך של "חומר אקטיבי" — חומר דחוס שימקד נייטרונים פנימה, ישמור את המסה המגיבה צמודה, ובכך יגביר את יעילותה. נבדקו גם אפשרויות של שימוש בספרואידים ליצירת "מנגנון קריסה" בסיסי, שהוצעו על ידי רוברט באכר , וגם אפשרויות של שיטות אוטו-קטליטיות שיגבירו את כוח ההרס של הפצצה.