El Proyecto Manhattan fue una empresa de investigación y desarrollo durante la Segunda Guerra Mundial que produjo las primeras armas nucleares. Fue liderado por Estados Unidos con el apoyo del Reino Unido y Canadá. De 1942 a 1946, el proyecto estuvo bajo la dirección del Mayor General Leslie Groves del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos. El físico nuclear Robert Oppenheimer fue el director del Laboratorio de Los Álamos que diseñó las bombas reales. El componente del Ejército del proyecto fue designado Distrito de Manhattan ya que su primer cuartel general estaba en Manhattan; el nombre del lugar reemplazó gradualmente al nombre en clave oficial, Desarrollo de materiales sustitutos, para todo el proyecto. En el camino, el proyecto absorbió a su contraparte británica anterior, Tube Alloys. El Proyecto Manhattan comenzó modestamente en 1939, pero creció hasta emplear a más de 130 000 personas y costó casi 2 000 millones de dólares (equivalente a unos 23 000 millones de dólares en 2020). Más del 90 por ciento del costo fue para construir fábricas y producir material fisible, con menos del 10 por ciento para el desarrollo y producción de armas. La investigación y la producción se llevaron a cabo en más de treinta sitios en los Estados Unidos, el Reino Unido y Canadá.

Dos tipos de bombas atómicas se desarrollaron simultáneamente durante la guerra: un arma de fisión tipo pistola relativamente simple y un arma nuclear tipo implosión más compleja. El diseño tipo pistola Thin Man resultó poco práctico para usar con plutonio y, por lo tanto, se desarrolló un tipo de pistola más simple llamado Little Boy que usaba uranio-235, un isótopo que constituye solo el 0,7 por ciento del uranio natural. Como era químicamente idéntico al isótopo más común, el uranio-238, y tenía casi la misma masa, resultó difícil separarlos. Se emplearon tres métodos para el enriquecimiento de uranio: electromagnético, gaseoso y térmico. La mayor parte de este trabajo se realizó en Clinton Engineer Works en Oak Ridge, Tennessee.

Paralelamente al trabajo sobre el uranio hubo un esfuerzo por producir plutonio, que fue descubierto por investigadores de la Universidad de California, Berkeley, en 1940. Después de que se demostrara la viabilidad del primer reactor nuclear artificial del mundo, el Chicago Pile-1, en 1942 en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, el Proyecto diseñó el Reactor de Grafito X-10 en Oak Ridge y los reactores de producción en el Sitio de Hanford en el estado de Washington, en los que se irradió uranio y se transmutó en plutonio. A continuación, el plutonio se separó químicamente del uranio mediante el proceso de fosfato de bismuto. El arma de tipo implosión de plutonio Fat Man fue desarrollada en un esfuerzo concertado de diseño y desarrollo por parte del Laboratorio de Los Alamos.

El proyecto también se encargó de recopilar inteligencia sobre el proyecto de armas nucleares alemán. A través de la Operación Alsos, el personal del Proyecto Manhattan sirvió en Europa, a veces detrás de las líneas enemigas, donde reunió materiales y documentos nucleares y reunió a científicos alemanes. A pesar de la estricta seguridad del Proyecto Manhattan, los espías atómicos soviéticos penetraron con éxito en el programa. El primer dispositivo nuclear que detonó fue una bomba de implosión en la prueba Trinity, realizada en el campo de bombardeo y artillería de Alamogordo en Nuevo México el 16 de julio de 1945. Las bombas Little Boy y Fat Man se usaron un mes después en los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki. , respectivamente, con el personal del Proyecto Manhattan sirviendo como técnicos de montaje de bombas y como armeros en el avión de ataque. En los años inmediatamente posteriores a la guerra, el Proyecto Manhattan realizó pruebas de armas en el atolón Bikini como parte de la Operación Crossroads, desarrolló nuevas armas, promovió el desarrollo de la red de laboratorios nacionales, apoyó la investigación médica en radiología y sentó las bases para la armada nuclear. Mantuvo el control sobre la investigación y producción de armas atómicas estadounidenses hasta la formación de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos en enero de 1947.