Da andre verdenskrig brøt ut mellom det nasjonalsosialistiske Tyskland og Sovjetunionen i 1941, ble Kurtsjatov utnevnt til direktør for den gryende sovjetiske kjernefysiske programmet. Under det økende presset som følge av krigen, inkludert den amerikanske atombombingen av de japanske byene Hiroshima og Nagasaki sto Kurtsjatov og hans kollegaer bak den vellykkede detoneringen av en bombe med plutoniumimplosjon i 1949.