Samtidig med arbeidet med å skille ut uran-235, arbeidet man også med å lage plutonium. Det ble bygget reaktorer i Hanford i Washington hvor uran ble bestrålt og omdannet til plutonium. Plutoniumet ble deretter adskilt fra uranen på kjemisk måte. Plutoniumbomben krevde et mer komplisert våpen som skapte en implosjon og ble designet og bygget på prosjektets våpendesign- og konstruksjonslaboratorium ved Los Alamos i New Mexico. Den første atombomben som ble sprengt var en plutoniumbombe som ble detonert under Trinityprøvesprengningen i Alamogordo i New Mexico 16. juli 1945. Atombombene over Hiroshima og Nagasaki bestod av uranbomben «Little Boy» og plutoniumbomben «Fat Man».