רכישות אלה הבטיחו אספקה מספקת כדי לענות על צורכי המלחמה, אך ארצות הברית ובריטניה הגיעו למסקנה כי חשוב שישלטו על כמה שיותר מרבצי אורניום שקיימים בעולם. המקור העשיר ביותר של עפרות אורניום היה בשינקולובווה באזור קטנגה שבקונגו הבלגית, אך מכרה זה היה מוצף במים וסגור. קנת ניקולס, "מהנדס המחוז" של פרויקט מנהטן, ניהל משא ומתן עם אדגר סנגייר , מנהל החברה הבלגית בעלת המכרה, על פתיחתו מחדש ועל מכירת כל התפוקה העתידית שלו לארצות הברית. כ-30% ממניות החברה הבלגית נשלטו על ידי אינטרסים בריטיים, ולפיכך הובילו הבריטים את המשא ומתן. סר ג'ון אנדרסון והשגריר האמריקאי בבריטניה ג'ון ויננט גיבשו במאי 1944 הסכם עם סנגייר ועם ממשלת בלגיה על פתיחתו מחדש של המכרה ועל רכישת 1,560 טונות של עפרות אורניום ב-3.20 דולר לקילוגרם.
בנוסף, וכדי למנוע תלות בבריטים ובקנדים בהספקת עפרות, טיפל גרובס גם ברכישת מניות תאגיד ונדיום מיורוואן שבקולורדו. מכרה האורניום בקולורדו הניב לפרויקט כ-730 טון עפרות.
המפעל הכימי מלינקרוט מסנט לואיס לקח את עפרות האורניום הגולמיות והמיס אותן בחומצה חנקתית כדי לייצר חנקת אורניום . אתר הוסף בתהליך הפרדת נוזל-נוזל כדי לנקות זיהומים מחנקת האורניום. היא חוממה והתקבל אורניום טריאוקסיד שממנו התקבלה תחמוצת אורניום טהורה למדי. ביולי 1942 ייצרה מלינקרודט טון של תחמוצת אורניום טהורה מאוד ביום, אך הפיכתה של התחמוצת למתכת אורניום התבררה כקשה לביצוע. חברות כווסטינגהאוז ואחרות ניסו לייצר אורניום מתחמוצת האורניום, אך הייצור היה איטי מדי ואיכות האורניום שיוצר הייתה נמוכה מדי. לצורך מחקר ומציאת חלופות טובות לייצור אורניום נקי, הוקם סניף מיוחד של המעבדה המטלורגית באוניברסיטת איווה באיימס שבאיווה, בראשות פרנק ספדינג . המחקר נקרא פרויקט איימס , ותהליך איימס שגילתה היה זמין ב-1943.
הפרדת איזוטופים.
אורניום טבעי מורכב מהאיזוטופ אורניום-238 בתכולה של 99.3%, ומהאיזוטופ אורניום-235, שרק הוא החומר הבקיע, בתכולה של 0.7%. תהליך העשרת האורניום הוא בעיקרו הפרדה פיזית של אורניום-235 מתוך האיזוטופ אורניום-238, וקבלת אורניום עשיר מספיק באורניום-235. נבחנו מספר שיטות להעשרת אורניום, רובן פותחו ובוצעו באתר הפרויקט באוק רידג' שבמדינת טנסי.
הטכנולוגיה המועדפת הייתה בתחילה הפרדה באמצעות צנטריפוגות, אך זו נזנחה משהתברר שהיא לא ישימה. הטכנולוגיות האחרות, שכללו: הפרדה אלקטרומגנטית, דיפוזיה גזית ודיפוזיה תרמית, התבררו כמוצלחות, ובהן השתמשו בפרויקט. פותחו גם שיטות משולבות מוצלחות, שבהן פלט של טכנולוגיה אחת שימש כקלט להמשך תהליך ההפרדה באמצעות טכנולוגיה אחרת.
צנטריפוגות.
באפריל 1942 נחשבה ההפרדה באמצעות צנטריפוגות לשיטה המבטיחה היחידה, לאחר שכבר בשנות ה-30 היא נוסתה על ידי ג'סי בימס בתנאי מעבדה באוניברסיטת וירג'יניה. לאחר מחקר מתמטי-פיזיקלי התברר שבתנאי ייצור, הפקה של קילוגרם אחד של אורניום-235 ליום תדרוש 10,000 צנטריפוגות, שבכל אחת מהן רוטור שאורך זרועו ארבעה מטר. בדגמי ייצור שנבנו התברר שגם עם רוטור בגודל כזה, התפוקה שהושגה הייתה רק 60% מהמצופה. בנוסף, המהירות הגבוהה שנדרשה בסיבוב הצנטריפוגות הביאה לכשלים רבים ותכופים מדי במנועיהן ובמוטותיהן. כתוצאה מכך המליצו קונאנט וניקולס לוועדה הצבאית המפקחת להפסיק להשקיע בשיטה זו, ובנובמבר 1942 היא הופסקה ונזנחה.
הפרדה אלקטרומגנטית.
הפרדה אלקטרומגנטית של איזוטופים פותחה על ידי לורנס במעבדת הקרינה של אוניברסיטת קליפורניה. בשיטה זו השתמשו במכשיר שכונה "קלוטרון" (הלחם של המילים "ציקלוטרון", "אוניברסיטה" ו"קליפורניה"). הקלוטרונים היו מורכבים תחילה מספקטרומטר מסה סטנדרטי ומהמגנט רב העוצמה של הציקלוטרון. בהמשך הגדיל לורנס את המגנט בקלוטרון מגודל של 93 ס"מ (37 אינץ') שלקח מהציקלוטרון, למגנט גדול הרבה יותר של 467 ס"מ (184 אינץ'), והוא המגנט שהותקן בקלוטרונים של מפעל הייצור. בתהליך האלקטרומגנטי, השדה המגנטי מסיט חלקיקים טעונים כתלות במסה שלהם. התהליך לא היה מאוד יעיל מבחינת כמות תפוקתו. בהשוואה לייצור באמצעות דיפוזיה גזית או באמצעות כור, ייצור באמצעות הפרדה אלקטרומגנטית צורך חומרים נדירים ויקרים יותר, דורש יותר כוח אדם להפעלתו, ובנייתו יקרה יותר. למרות זאת השיטה אושרה כיוון שהתבססה על טכנולוגיה עובדת ומוכחת, ולפיכך הסיכון בה לאי-הצלחה היה קטן. בנוסף, היא אפשרה בנייה של מפעל הייצור באופן מדורג ובשלבים עד הגעה מהירה לתפוקת ייצור משמעותית.
מרשל וניקולס גילו כי תהליך ההפרדה האיזוטופית האלקטרומגנטית יחייב 4,500 טון של נחושת, כמות שהייתה קשה מאוד להשגה באותה עת, בעיקר בגלל צריכה מוגברת של נחושת במערכות נשק קריטיות אחרות בחזיתות מלחמת העולם. ניתן היה להשתמש בכסף במקום בנחושת, ולפיכך נפגש ניקולס ב-3 באוגוסט 1942 עם תת-מזכיר האוצר דניאל בל, וביקש העברה של 6,000 טונות של מטילי כסף ממחסני המטבעה בווסט פוינט. בסופו של דבר סופקו לפרויקט 13,300 טון של מתכת כסף.
האחריות לתכנון ולבניית מפעל ההפרדה האלקטרומגנטית באוק רידג', שנקרא מפעל Y-12, ניתנה לחברת סטון אנד ובסטר על ידי ועדת S-1 ביוני 1942. התכנון היה לבנות חמש יחידות ייצור ראשוניות, שכונו "מסלול מרוצים אלפא", ושתי יחידות לייצור סופי, שנקראו "מסלול מרוצים בטא". הבנייה החלה בפברואר 1943. בספטמבר 1943 אישר גרובס בנייה של ארבעה מסלולי מרוץ נוספים שנקראו "אלפא 2".
הקלוטרונים הופעלו תחילה על ידי מדענים מברקלי כדי שיוכלו לפתור תקלות, שאכן התעוררו בהפעלות הראשונות של המתקנים, וכדי להשיג כמות תפוקה סבירה. לאחר מכן הועברה הפעלת הקלוטרונים לאחריות המפעל הכימי טנסי איסטמן, שהעסיק לצורך זה עובדות עם השכלה תיכונית בלבד. ניקולס השווה את נתוני הייצור של היחידה, והתברר שהנשים הצעירות הפיקו כמות גדולה יותר מהמדענים מברקלי. הבנות היו "מאומנות כמו חיילים" לבצע את העבודה בלי להבין ובלי לשאול יותר מדי שאלות, בעוד שהמדענים לא יכלו להימנע מחקירה ארוכה של כל תופעה חריגה, גם אם היא זניחה, ועיכבו בכך את תהליך הייצור.
מפעל Y-12 העשיר תחילה את האורניום-235 לרמה של 13%–15%, ובמרץ 1944 שלח את כמה מאות הגרמים הראשונים מחומר זה ללוס אלמוס.
דיפוזיה גזית.
השיטה המבטיחה ביותר להפרדת איזוטופים, אך גם המאתגרת ביותר, הייתה דיפוזיה גזית. חוק גרהם קובע כי שיעור האפוזיה של גז הוא ביחס הפוך לשורש הריבועי של המסה המולקולרית שלו, ולכן במכל בעל ממברנה מחוררת חדירה למחצה ותערובת של שני גזים, המולקולות הקלות יותר יעברו דרך הממברנה מהר יותר מהמולקולות הכבדות. הגז היוצא מהמכל יהיה עשיר מעט יותר במולקולות הקלות. הרעיון היה ליצור מערך משורשר של משאבות וממברנות כאלה, כך שבכל שלב תיווצר תערובת מועשרת יותר, שתשמש כקלט לשלב הבא, שבו תיווצר שוב תערובת מועשרת עוד יותר, וכך הלאה. המחקר על תהליך זה התבצע באוניברסיטת קולומביה על ידי קבוצה שכללה את הרולד יורי, וילארד ליבי, קארל כהן וג'ון דאנינג .
בנובמבר 1942 אישרה ועדת המדיניות הצבאית את הקמתו של מפעל דיפוזיה גזית בעל 600 שלבים. שם הקוד של המפעל היה K-25. במימוש התהליך הייתה התמודדות עם קשיים טכניים גדולים. תחילה היה צורך להמיר את עפרת האורניום המוצקה לגז כדי שיוכל לעבור דיפוזיה, וזאת נעשה על ידי הגבתו עם גז פלואור וקבלת אורניום שש פלואורי. האורניום שש פלואורי שנוצר הוא חומר שגורם לקורוזיה חזקה. המנועים והמשאבות היו צריכים להיות מהודקים בתוך ואקום ומוקפים בגז אינרטי. הבעיה הגדולה ביותר הייתה תכנון המחיצה (הממברנה), שהייתה צריכה להיות חזקה, מחוררת, ועמידה בפני הקורוזיה החזקה של גז האורניום. החומר שנבחר לבניית המחיצה היה המתכת ניקל. אדוארד אדלר ואדוארד נוריס יצרו מחיצת רשת מניקל, ובנו מתקן ניסוי בן שישה שלבים באוניברסיטת קולומביה, אך אב-טיפוס זה התברר כעדין ושברירי מדי. מחיצה חלופית פותחה מאבקת ניקל על ידי חברת קלקס (שהוקמה לצורך הפרויקט), מעבדות בל, ותאגיד הבקליט. בינואר 1944 הכריע גרובס בעד המחיצה שפיתחה חברת קלקס, והיא נכנסה לייצור.
חברת קלקס גם בנתה את מפעל הדיפוזיה הגזית כולו על-פי הסכם בנייה בהיקף של 2.5 מיליון דולר. היא תכננה מבנה בן 4 קומות, באורך של 800 מטר ובצורת U, שהורכב מ-54 בניינים צמודים, שחולקו לתשעה קטעים. בתוך כל קטע היו שישה תאי העשרה. ניתן היה להפעיל כל תא באופן עצמאי. בדומה, ניתן היה להפעיל באופן עצמאי גם קטע שלם ברצף, כשהתאים פועלים בזה אחר זה כמערך משורשר: פלט של תא אחד משמש כקלט לתא הבא, וכך הלאה. הבנייה החלה במאי 1943 עם איתור שטח של 2,000 דונם. בניית הבניין הראשי החלה באוקטובר 1943, ופיילוט של קטע בן שישה תאים היה מוכן לפעולה ב-17 באפריל 1944. מפעל ההעשרה פעל באופן רצוף במקביל להמשך בניית עוד ועוד בניינים ותאי העשרה, כשהמטרה הייתה, כפי שגרובס הגדיר לחברת קלקס, להגיע ל-540 תאים. הבנייה הושלמה רק לאחר המלחמה, ב-11 בספטמבר 1945. עלות הבנייה הכוללת הגיעה ל-480 מיליון דולר.
מפעל הייצור K-25 החל לפעול בפברואר 1945, וככל שרבו הקטעים בני ששת התאים המשורשרים, כך עלתה איכות האורניום המועשר. באפריל 1945 החל השימוש באורניום המועשר ממפעל הדיפוזיה התרמית S-50, כחומר מוצא (קלט) להעשרה. מפעל K-25 של הדיפוזיה הגזית, ובהמשך המפעל המשופר K-27, הגיעו למלוא פוטנציאל התפוקה שלהם בתחילת התקופה שלאחר מלחמת העולם השנייה. באותה עת הם הפכו לאב-טיפוס לדור החדש של מפעלי העשרת אורניום.
דיפוזיה תרמית.