צנזורה מרצון של מידע אטומי החלה עוד לפני תחילת הפרויקט. לאחר פרוץ המלחמה באירופה בשנת 1939, החלו מדענים אמריקנים להימנע מפרסום מחקרים הקשורים לנושאים צבאיים, ובשנת 1940 החלו כתבי עת מדעיים לבקש מהאקדמיה הלאומית למדעים לנקות מאמרים ממידע הקשור לאטום. ויליאם לורנס מ"הניו יורק טיימס" כתב מאמר על ביקוע אטומי ב"סאטרדיי איבנינג פוסט" שפורסם ב-7 בספטמבר 1940, ומאוחר יותר נודע לו שפקידי ממשל ביקשו ב-1943 מספריות בכל רחבי ארצות-הברית להסיר את הגיליון. אך הסובייטים הבחינו בשתיקת האמריקאים בנושא זה. באפריל 1942 כתב הפיזיקאי הגרעיני גאורגי פליורוב לסטלין על היעדרם של מאמרים על ביקוע גרעיני בכתבי עת אמריקניים, דבר שהגביר את חשדותיו של סטלין ועורר אותו לפעולה.
פרויקט מנהטן פעל תחת אבטחה הדוקה שמא גילויו יגרור את כוחות הציר, ובמיוחד את גרמניה, להאיץ את פרויקטי הגרעין שלהם או לבצע פעולות חשאיות נגד הפרויקט. בתחילת 1943 החלו העיתונים לפרסם דו"חות על בנייה מסיבית במדינות וושינגטון וטנסי על סמך רישומים ציבוריים, ומשרד הצנזורה הפדרלי החל לדון כיצד לשמור על סודיות הפרויקט. ביוני פנה משרד הצנזורה לעיתונים ולתחנות שידור וביקש שלא לדון ב"ריסוק אטום, אנרגיה אטומית, ביקוע אטומי, פיצול אטומי, או כל מונח דומה להם, וכן בשימוש למטרות צבאיות ברדיום או בחומרים רדיואקטיביים, במים כבדים ובציקלוטרונים". המשרד גם ביקש להימנע מדיון ב"פולוניום, אורניום, איטרביום, הפניום, פרוטקטיניום, רדיום, רניום, תוריום, דאוטריום". למעשה רק אורניום היה נושא רגיש, אך נרשמו גם יסודות אחרים כדי לערפל ולהסתיר את חשיבותו המיוחדת של האורניום.
מרגלים סובייטים.
הסיכוי לחבלה היה קיים תמיד, ולעיתים עלה חשד שכשלים לא מוסברים נבעו מחבלה עוינת. היו כמה בעיות שחשבו שנגרמו מעובדים רשלניים או ממורמרים, אך לא היו מקרים מאומתים של חבלות שבוצעו ביוזמת מדינות הציר. כשאנשים ועובדים כה רבים מעורבים, הביטחון היה משימה קשה. הוקמה יחידה מיוחדת של המודיעין המסכל כדי לטפל בסוגיות הביטחון של הפרויקט. ב-1943 היה ברור כי ברית המועצות מנסה לחדור לפרויקט. בוריס פאש, ראש אגף המודיעין המסכל בפיקוד הצבאי המערבי, חקר חשוד בריגול סובייטי במעבדת הקרינה בברקלי. אופנהיימר הודיע לפאש שפנה אליו פרופסור בברקלי, האלון שבלייה, וסיפר שהועבר מידע מסווג לברית המועצות.
המרגל הסובייטי המצליח ביותר היה קלאוס פוקס, חבר המשלחת הבריטית שמילאה חלק חשוב בלוס אלמוס. פעולות הריגול שביצע בשנים 1943–1945 בלוס אלמוס, התגלו רק ב-1950, ופגעו בשיתוף הפעולה הגרעיני של ארצות הברית עם בריטניה וקנדה. נחשפו גם מקרי ריגול נוספים, שהובילו למעצרם של הארי גולד , דייוויד גרינגלס , ויוליוס ואתל רוזנברג. מרגלים אחרים, כמו ג'ורג' קובאל ותאודור הול, נותרו לא ידועים במשך עשרות שנים. קשה להעריך ולכמת את התרומה שהביא הריגול לברית המועצות, שכן המגבלה העיקרית על פרויקט הפצצה הגרעינית הסובייטית הייתה המחסור בעפרות אורניום. ההערכה היא שהריגול חסך וקיצר לסובייטים שנה או שנתיים בפרויקט הגרעין.
מודיעין במדינות זרות.
בנוסף לפיתוח פצצת האטום, היה פרויקט מנהטן אחראי לאיסוף מודיעין על פיתוח גרעיני במדינות זרות. ההערכה הייתה שתוכנית הגרעין היפנית לא הייתה במצב מתקדם, כי ליפן כמעט ולא הייתה גישה לעפרות אורניום, אך בתחילה היה חשש שפרויקט הגרעין של גרמניה הנאצית קרוב מאוד לפיתוח נשק גרעיני. לפי אינפורמציה שנאספה בפרויקט מנהטן, בוצע מבצע הפצצה וחבלה נגד מפעלי מים כבדים בנורווגיה הכבושה בידי הגרמנים. הוקם כוח משימה אמריקאי קטן, שאויש במשותף על ידי המודיעין הימי, OSRD, פרויקט מנהטן והמודיעין הצבאי (G-2), כדי לחקור התפתחויות מדעיות אצל האויב. הוא לא היה מוגבל להתפתחויות הנוגעות לנשק גרעיני. ראש המודיעין הצבאי, מייג'ור גנרל ג'ורג' סטרונג , מינה את בוריס פאש לפקד על היחידה, שמשימתה נקראה "משימת אלסוס".
משימת אלסוס באיטליה הייתה לחקור את עובדי המעבדה לפיזיקה באוניברסיטת רומא לאחר כיבוש העיר ביוני 1944. בינתיים יצר פאש בלונדון כוח משולב בריטי-אמריקאי בפיקודו של קפטן הוראס קלוור, שישתתף בפלישה לנורמנדי, מבצע אוברלורד. גרובס העריך שהסיכון שהגרמנים ינסו לשבש את הנחיתות בנורמנדי באמצעות זיהום רדיואקטיבי גדול מספיק, והחליט להזהיר את הגנרל אייזנהאואר ולשלוח קצין שיתדרך את ראש המטה שלו, לוטננט גנרל ולטר בדל סמית . תחת שם הקוד "מבצע פפרמינט" ("מנתה"), הוכן ציוד מיוחד לטיפול בזיהום רדיואקטיבי, וצוותי לוחמה כימית הוכשרו להפעילו.
בעקבות התקדמות צבאות בעלות הברית בחזית מערב אירופה, שאלו פאש וקלברט את הפיזיקאי הצרפתי פרדריק ז'וליו-קירי על פעילותם של מדענים גרמנים, ושוחחו עם מנהלי מכרות אורניום מקונגו הבלגית על משלוחי אורניום לגרמניה. הם גילו שקיימים 68 טון עפרות אורניום בבלגיה ו-30 טון בצרפת. מחקירתם של שבויים גרמניים התברר שאורניום ותוריום מעובדים במפעל באורניינבורג, כ-20 ק"מ מצפון לברלין, ולאחר המלצת גרובס הופצץ המפעל ב-15 במרץ 1945, בעיקר כדי שלא ייפול לידיים סובייטיות.
קבוצת משימת אלסוס הגיעה לסטאספורט באזור הכיבוש הסובייטי, ולקחה 11 טון עפרות אורניום ממפעל מחקר גרמני. באפריל 1945 ניהל פאש, שפיקד על כוח משולב שנקרא כוח T, את "מבצע הארבורג'", שבוצע מעבר לקווי האויב וטיהר את הערים הכינגן, ביזינגן והייגרלוך, שהיו בליבה של תוכנית הגרעין הגרמנית. כוח T תפס מעבדות גרעין, מסמכים, ציוד ואספקה, כולל 1.5 טון של מתכת אורניום.
צוותי אלסוס כינסו את המדענים הגרמנים, בהם קורט דיבנר, אוטו האן, ולטר גרלך, ורנר הייזנברג וקרל פרידריך פון וייזקר, והעבירו אותם לאנגליה. הם נכלאו ב"חוות הול" שבגודמנצ'סטר, שם צותתו להם. לאחר שהפצצות התפוצצו ביפן, נוכחו הגרמנים לדעת שבעלות הברית עשו מה שהם לא יכלו לעשות.
הטלת פצצות האטום על הירושימה ונגסאקי.
לפני הטלת הפצצה בדק משרד ההגנה האמריקני את אפשרויות הפלישה ליפן. בין היתר, הוטל על צוות בראשות המהנדס ויליאם שוקלי להעריך את מספר הקורבנות מפלישה אמריקאית ליפן עצמה, שבה יוכנעו היפנים ותסתיים המלחמה. שוקלי העריך כי כדי להכניע את היפנים "נצטרך להרוג בין 5 ל-10 מיליון. זה יעלה לנו בין 1.7 ל-4 מיליון נפגעים, ובהם 400 עד 800 אלפי הרוגים".
תחזיתו של שוקלי הייתה בין הגורמים שהשפיעו על ממשלת ארצות הברית להחליט על הטלת פצצות האטום על הירושימה ונגסאקי.
הכנות.
מנובמבר 1943 החל פיקוד מחלקת הציוד של חיל האוויר בשדה רייט שבאוהיו, להפעיל פרויקט להתאמת מפציצי בואינג B-29 סופרפורטרס לנשיאת פצצות האטום. שם הקוד של הפרויקט היה "סילברפלייט" . במרץ 1944 נפגש גרובס עם מפקד חיל האוויר האמריקני, הגנרל הנרי ארנולד, כדי לדון באספקטים הלוגיסטיים של העברת הפצצות מארצות הברית לאזור יפן והטלתן על מטרותיהן. המטוס היחיד של בעלות הברית שהיה מסוגל לשאת את פצצת "איש רזה" באורך 5.2 מטרים או את פצצת "איש שמן" ברוחב של 150 ס"מ, היה המפציץ הבריטי הכבד אוורו לנקסטר, אך שימוש במטוס בריטי היה גורם לבעיות לוגיסטיות ולקשיים בתחזוקה. גרובס קיווה שניתן יהיה לשנות את המפציץ בואינג B-29 סופרפורטרס (Superfortress, מבצר-על) ולצרף את שני תאי הפצצות שלו לתא גדול אחד, כדי שיוכל לשאת את פצצת "איש רזה". ארנולד הבטיח שהעבודה תיעשה, ומינה את גנרל אוליבר אקולס לאיש קשר עם הפרויקט, שמינה את קולונל רוסקו וילסון כממלא מקומו. וילסון הפך למעשה לקצין הקשר הראשי בין חיל האוויר האמריקני לבין פרויקט מנהטן. הנשיא רוזוולט הורה לגרובס, שאם פצצות האטום יהיו מוכנות עוד לפני תום המלחמה עם גרמניה, עליו להיות מוכן להטיל אותן על גרמניה.
קבוצת הטייסות המעורבת 509 הופעלה ב-17 בדצמבר 1944 בבסיס האוויר ונדובר שביוטה, בפיקודו של קולונל פול טיבטס. האימונים נעשו בוונדובר ובבסיס חיל האוויר בטיסטה שבקובה, שבו התאמנה טייסת המפציצים 393 בהטלת פצצות דמה, הדומות במשקלן ובמבנן לפצצת "איש שמן", אחרי טיסה ארוכה מעל האוקיינוס.
יחידה מיוחדת מפרויקט מנהטן, שנקראה "פרויקט אלברטה" , הוקמה בלוס אלמוס כדי לעזור בהכנתן ובהעברתן של הפצצות. קצין חיל הים פרדריק אשוורת' נפגש בפברואר 1945 בגואם עם מפקד זירת האוקיינוס השקט, האדמירל צ'סטר נימיץ, ועדכן אותו בפרויקט. באותה נסיעה בחר אשוורת' באי הפאסיפי טיניאן כבסיסו של להק 509. מטוסים וציוד נפרסו באי החל מיוני 1945, ואנשי צוות אוויר, אנשי לוגיסטיקה ואחרים הגיעו לבסיס עד סוף יולי.
רוב המרכיבים של פצצת "ילד קטן" יצאו מסן פרנסיסקו על הסיירת אינדיאנפוליס ב-16 ביולי, והגיעו לטיניאן ב-26 ביולי 1945. כעבור ארבעה ימים טובעה הספינה על ידי צוללת יפנית. שאר המרכיבים של הפצצה, שכללו שש טבעות אורניום-235, הובאו על ידי שלושה טייסים מקבוצה 509. שתי הרכבות של פצצת "איש שמן" הובאו לטיניאן במטוסי B-29 מותאמים. ליבת פלוטוניום ראשונה הובאה במטוס C-54 מיוחד. הוקמה ועדת משותפת של חיל האוויר ופרויקט מנהטן כדי לקבוע אילו ערים ביפן יופצצו, שהמליצה על קוקורה, הירושימה, ניאיגטה וקיוטו. בנקודה זו התערב מזכיר המלחמה הנרי סטימסון , והודיע שהוא יקבל את ההחלטה לגבי המטרות, ולא יאשר את הפצצת קיוטו בשל חשיבותה ההיסטורית והדתית. לפיכך ביקש גרובס מארנולד להסיר את קיוטו, לא רק מרשימת המטרות הגרעיניות, אלא גם ממטרות ההפצצות הקונבנציונליות. נגסאקי החליפה את קיוטו ברשימת הערים הפוטנציאליות להפצצה.
הטלת הפצצות.