Allerede i 1940 etter utbruddet av andre verdenskrig hadde Compton begynte å tenke på den rolle som fisjon av uran kunne få militært. Han kom tidlig med i de første forberedelser til Manhattanprosjektet og gikk inn for at den første atomreaktor skulle bygges ved University of Chicago. Under ledelse av Enrico Fermi ble denne bygget opp med grafitt som nøytronmoderator. Reaktoren gikk kritisk 2. desember, 1942. Gruppen til Compton fikk ansvaret for å undersøke muligheten for å produsere plutonium i reaktorer til bruk i en fremtidig atombombe. På grunn av hemmelighold, ble dette prosjektet kalt for arbeid ved det Metallurgiske Laboratorium.