1941年12月，已逃亡到美国并定居下来的费米来到芝加哥，领导美国第一个原子反应堆的建造。这是一个可控的链式反应装置，用石墨作为中子的减速剂，用镉棒来吸收中子以控制裂变反应的速度。经过近一年的努力，反应堆于1942年12月2日正式开始运转。它第一次实现了输出能大于输入能的核反应，宣告了人类利用核能时代的开始。
费米反应堆的建成为原子弹的研制提供了大量有用的数据，但制造核弹还有许多技术方面的困难。最主要的问题是铀的提纯问题。当时认为，最好的裂变材料是铀235，但这种铀的天然含量很低，只占0.7%，必须用某种方法将铀235分离出来，获得高含量的铀235。当时有好几种分离方法可供采用。美国政府决定不惜工本，几种方法同时进行试验，以尽快分离出足够的高纯度铀235。
由于分离铀的成本太高，后来又发现了元素钚239也是一种良好的裂变材料。钚是由铀238嬗变而来的，因此，可以用分离中剩下的大量铀238制造钚。
原子弹的研制工作由美国物理学家奥本海默负责，在新墨西哥州一个叫洛斯-阿拉莫斯的荒凉高地上秘密进行。1942年11月25日，洛斯-阿拉莫斯被征用。1943年3月，第一批原子科学家入住此地。7月，从全国各大学拆运的设备陆续到达。同时，奥本海默被任命为洛斯-阿拉莫斯实验室主任。
1945年春，三颗原子弹造出来了。1945年7月12日和13日，原子弹的内部爆炸机械部件陆续运到了被称作“死亡地带”的试验地点。这是一片沙漠，原子弹就装配在沙漠中心一座高大的钢架上。14日和15日两天，在洛斯-阿拉莫斯工作的全体人员被召集起来开会，他们被告知原子武器实验即将开始。他们中的很多人还是第一次知道自己所做工作的真正用途。会后，与会者乘车经4小时的路程到达试验场。他们聚在离原子弹16公里的地方，每人都穿着特制的衣服，戴上了黑色保护镜，脸上涂上防辐射油膏。爆炸原定在16日凌晨4点钟，因气候恶化推迟了一些。5时10分，奥本海默的副手发出了倒计时信号。所有的人立即伏卧在地上。人们安静地等待着，但内心十分紧张。5时30分，第一颗铀原子弹成功爆炸。巨大的冲天火球把天空照得煞白。有些人激动得忘了戴面罩就下了汽车，但只有两三秒钟，他们就丧失了视力。这令人心悸的一幕，使在场的每个人都感到异常恐惧。奥本海默靠在观察站的一个柱子上，心里涌出了古印度圣诗中的一段：
漫天奇光异彩
有如圣灵逞威
只有一千个太阳
才能与其争辉
30秒后，暴风向人们冲来，可怕的吼叫声惊天动地，仿佛世界末日来到了。由于亲身领略了向神灵挑战的滋味，许多科学家在这惊心动魄的场面前手足无措。据说费米事后连开汽车的力气也没有了。这场爆炸力相当于两万吨TNT炸药的试验，比原来预想的效果要大10倍乃至20倍。住在200公里外的居民都看到了空中的强烈闪光。为了保密，军事当局发布新闻说一个弹药库不幸爆炸，但没有人员伤亡。
在不到4年的时间里，美国就成功地试制了原子弹，这完全取决于两个因素。一是希特勒将一大批极有才华的欧洲核物理学家赶到了美国，使美国拥有了当时世界上最强大的科学家阵容。二是美国政府迫于战争的需要，投入了巨大的人力和物力。为了完成曼哈顿工程，美国政府动员了50多万人（其中科研人员15万），耗费22亿美元，占用了全国近三分之一的电力。为分离高纯度铀，同时试用了三种方法：电磁分离法、气体扩散法和热扩散法，每种方法各建一个大型工厂。第一个建起的电磁分离工厂，建造费用达3亿多美元，有2万多人在此工作。原子弹的研制是20世纪大科学的典型范例。
