Le projet Manhattan était une entreprise de recherche et développement pendant la Seconde Guerre mondiale qui a produit les premières armes nucléaires. Il était dirigé par les États-Unis avec le soutien du Royaume-Uni et du Canada. De 1942 à 1946, le projet était sous la direction du général de division Leslie Groves du U.S. Army Corps of Engineers. Le physicien nucléaire Robert Oppenheimer était le directeur du laboratoire de Los Alamos qui a conçu les bombes réelles. La composante armée du projet a été désignée le district de Manhattan car son premier quartier général était à Manhattan; le nom de lieu a progressivement remplacé le nom de code officiel, Développement de matériaux de substitution, pour l'ensemble du projet. En cours de route, le projet a absorbé son ancien homologue britannique, Tube Alloys. Le projet Manhattan a commencé modestement en 1939, mais a grandi pour employer plus de 130 000 personnes et a coûté près de 2 milliards de dollars américains (soit environ 23 milliards de dollars en 2020). Plus de 90% du coût était pour la construction d'usines et pour produire des matières fissiles, avec moins de 10% pour le développement et la production des armes. La recherche et la production ont eu lieu dans plus de trente sites aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Canada.

Deux types de bombes atomiques ont été développés simultanément pendant la guerre : une arme à fission de type canon relativement simple et une arme nucléaire de type implosion plus complexe. La conception de type pistolet Thin Man s'est avérée peu pratique à utiliser avec du plutonium, et donc un type de pistolet plus simple appelé Little Boy a été développé qui utilisait de l'uranium-235, un isotope qui ne représente que 0,7% de l'uranium naturel. Puisqu'il était chimiquement identique à l'isotope le plus courant, l'uranium 238, et avait presque la même masse, la séparation des deux s'est avérée difficile. Trois méthodes ont été employées pour l'enrichissement de l'uranium : électromagnétique, gazeuse et thermique. La plupart de ces travaux ont été effectués aux Clinton Engineer Works à Oak Ridge, Tennessee.

Parallèlement aux travaux sur l'uranium, des efforts ont été déployés pour produire du plutonium, qui a été découvert par des chercheurs de l'Université de Californie à Berkeley en 1940. Après la démonstration de la faisabilité du premier réacteur nucléaire artificiel au monde, le Chicago Pile-1, 1942 au laboratoire métallurgique de l'Université de Chicago, le projet a conçu le réacteur à graphite X-10 à Oak Ridge et les réacteurs de production du site de Hanford dans l'État de Washington, dans lesquels l'uranium a été irradié et transmuté en plutonium. Le plutonium a ensuite été chimiquement séparé de l'uranium, en utilisant le procédé au phosphate de bismuth. L'arme de type à implosion au plutonium Fat Man a été développée dans le cadre d'un effort concerté de conception et de développement par le laboratoire de Los Alamos.

Le projet était également chargé de recueillir des renseignements sur le projet d'arme nucléaire allemand. Grâce à l'opération Alsos, le personnel du projet Manhattan a servi en Europe, parfois derrière les lignes ennemies, où ils ont rassemblé des matériaux et des documents nucléaires et ont rassemblé des scientifiques allemands. Malgré la sécurité renforcée du projet Manhattan, les espions atomiques soviétiques ont réussi à pénétrer le programme. Le premier engin nucléaire qui a explosé était une bombe de type implosion lors de l'essai Trinity, effectué au champ de tir et de bombardement d'Alamogordo au Nouveau-Mexique le 16 juillet 1945. Les bombes Little Boy et Fat Man ont été utilisées un mois plus tard dans les bombardements atomiques d'Hiroshima et de Nagasaki. , respectivement, avec le personnel du projet Manhattan servant de techniciens d'assemblage de bombes et d'armateurs sur l'avion d'attaque. Dans l'immédiat après-guerre, le projet Manhattan a mené des essais d'armes sur l'atoll de Bikini dans le cadre de l'opération Crossroads, développé de nouvelles armes, favorisé le développement du réseau de laboratoires nationaux, soutenu la recherche médicale en radiologie et jeté les bases de la marine nucléaire. Il a maintenu le contrôle sur la recherche et la production d'armes atomiques américaines jusqu'à la formation de la Commission de l'énergie atomique des États-Unis en janvier 1947.