O Projeto Manhattan foi um empreendimento de pesquisa e desenvolvimento durante a Segunda Guerra Mundial que produziu as primeiras armas nucleares. Foi liderado pelos Estados Unidos com o apoio do Reino Unido e Canadá. De 1942 a 1946, o projeto esteve sob a direção do Major General Leslie Groves do Corpo de Engenheiros do Exército dos EUA. O físico nuclear Robert Oppenheimer foi o diretor do Laboratório de Los Alamos que projetou as bombas reais. O componente do Exército do projeto foi designado Distrito de Manhattan, pois seu primeiro quartel-general estava em Manhattan; o nome do local gradualmente substituiu o codinome oficial, Desenvolvimento de Materiais Substitutos, para todo o projeto. Ao longo do caminho, o projeto absorveu sua contraparte britânica anterior, Tube Alloys. O Projeto Manhattan começou modestamente em 1939, mas cresceu para empregar mais de 130.000 pessoas e custou quase US$ 2 bilhões (equivalente a cerca de US$ 23 bilhões em 2020). Mais de 90% do custo foi para construir fábricas e produzir material físsil, com menos de 10% para desenvolvimento e produção de armas. A pesquisa e a produção ocorreram em mais de trinta locais nos Estados Unidos, Reino Unido e Canadá.

Dois tipos de bombas atômicas foram desenvolvidos simultaneamente durante a guerra: uma arma de fissão do tipo arma relativamente simples e uma arma nuclear do tipo implosão mais complexa. O design do tipo Thin Man mostrou-se impraticável para uso com plutônio e, portanto, um tipo de arma mais simples chamado Little Boy foi desenvolvido que usava urânio-235, um isótopo que compõe apenas 0,7% do urânio natural. Como era quimicamente idêntico ao isótopo mais comum, o urânio-238, e tinha quase a mesma massa, a separação dos dois mostrou-se difícil. Três métodos foram empregados para o enriquecimento de urânio: eletromagnético, gasoso e térmico. A maior parte deste trabalho foi realizado no Clinton Engineer Works em Oak Ridge, Tennessee.

Paralelamente ao trabalho com o urânio, houve um esforço para produzir plutônio, que foi descoberto por pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, em 1940. Após a viabilidade do primeiro reator nuclear artificial do mundo, o Chicago Pile-1, foi demonstrada em Em 1942, no Laboratório Metalúrgico da Universidade de Chicago, o Projeto projetou o Reator de Grafite X-10 em Oak Ridge e os reatores de produção no Local Hanford, no estado de Washington, nos quais o urânio foi irradiado e transmutado em plutônio. O plutônio foi então separado quimicamente do urânio, usando o processo de fosfato de bismuto. A arma do tipo implosão de plutônio Fat Man foi desenvolvida em um esforço conjunto de projeto e desenvolvimento pelo Laboratório de Los Alamos.

O projeto também foi encarregado de coletar informações sobre o projeto alemão de armas nucleares. Por meio da Operação Alsos, o pessoal do Projeto Manhattan serviu na Europa, às vezes atrás das linhas inimigas, onde reuniram materiais e documentos nucleares e reuniram cientistas alemães. Apesar da segurança rígida do Projeto Manhattan, os espiões atômicos soviéticos penetraram com sucesso no programa. O primeiro dispositivo nuclear já detonado foi uma bomba do tipo implosão no teste Trinity, realizado no Alamogordo Bombing and Gunnery Range, no Novo México, em 16 de julho de 1945. As bombas Little Boy e Fat Man foram usadas um mês depois nos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki , respectivamente, com o pessoal do Projeto Manhattan servindo como técnicos de montagem de bombas e como armadores na aeronave de ataque. Nos anos imediatos do pós-guerra, o Projeto Manhattan realizou testes de armas no Atol de Bikini como parte da Operação Crossroads, desenvolveu novas armas, promoveu o desenvolvimento da rede de laboratórios nacionais, apoiou pesquisas médicas em radiologia e lançou as bases para a marinha nuclear. Manteve o controle sobre a pesquisa e produção de armas atômicas americanas até a formação da Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos em janeiro de 1947.