Манхэттенский проект был научно-исследовательским предприятием во время Второй мировой войны, в результате которого было создано первое ядерное оружие. Его возглавили Соединенные Штаты при поддержке Соединенного Королевства и Канады. С 1942 по 1946 год проектом руководил генерал-майор Лесли Гроувс из Инженерного корпуса армии США. Физик-ядерщик Роберт Оппенгеймер был директором Лос-Аламосской лаборатории, которая разработала настоящие бомбы. Армейский компонент проекта был обозначен как Манхэттенский округ, поскольку его первая штаб-квартира находилась на Манхэттене; топоним постепенно заменил официальное кодовое название «Разработка замещающих материалов» для всего проекта. Попутно проект поглотил своего более раннего британского аналога Tube Alloys. Манхэттенский проект начался скромно в 1939 году, но в нем было задействовано более 130 000 человек, а его стоимость составила почти 2 миллиарда долларов США (что эквивалентно примерно 23 миллиардам долларов в 2020 году). Более 90 процентов затрат приходилось на строительство заводов и производство расщепляющихся материалов, и менее 10 процентов приходилось на разработку и производство оружия. Исследования и производство проводились более чем на тридцати объектах в США, Великобритании и Канаде.

Во время войны одновременно разрабатывались два типа атомных бомб: относительно простое оружие деления пушечного типа и более сложное ядерное оружие имплозивного типа. Конструкция пистолета «Тонкий человек» оказалась непрактичной для использования с плутонием, и поэтому был разработан более простой тип пистолета под названием «Маленький мальчик», в котором использовался уран-235, изотоп, который составляет всего 0,7 процента природного урана. Поскольку он был химически идентичен наиболее распространенному изотопу урана-238 и имел почти одинаковую массу, разделить их оказалось затруднительно. Для обогащения урана использовались три метода: электромагнитный, газовый и тепловой. Большая часть этой работы была выполнена на заводе Clinton Engineer Works в Ок-Ридже, штат Теннесси.

Параллельно с работами по урану велась работа по производству плутония, который был открыт исследователями Калифорнийского университета в Беркли в 1940 году. В 1942 году в Металлургической лаборатории Чикагского университета проект разработал графитовый реактор Х-10 в Ок-Ридже и производственные реакторы на Хэнфордской площадке в штате Вашингтон, в которых уран облучался и превращался в плутоний. Затем плутоний был химически отделен от урана с использованием процесса с фосфатом висмута. Плутониевое оружие имплозивного типа «Толстяк» было разработано Лос-Аламосской лабораторией в рамках согласованных усилий по проектированию и разработке.

Проекту также было поручено собрать разведданные о немецком проекте создания ядерного оружия. В рамках операции «Алсос» персонал Манхэттенского проекта служил в Европе, иногда в тылу врага, где собирал ядерные материалы и документы и арестовывал немецких ученых. Несмотря на жесткую охрану Манхэттенского проекта, советские атомные шпионы успешно проникли в программу. Первым ядерным устройством, когда-либо взорванным, была бомба имплозивного типа во время испытаний Тринити, проведенных на полигоне бомбометания и артиллерийского огня Аламогордо в Нью-Мексико 16 июля 1945 года. Месяц спустя бомбы «Малыш» и «Толстяк» использовались при атомных бомбардировках Хиросимы и Нагасаки. , соответственно, с персоналом Манхэттенского проекта, работающим техниками по сборке бомб и оружейниками на штурмовиках. В первые послевоенные годы Манхэттенский проект проводил испытания оружия на атолле Бикини в рамках операции «Перекрёсток», разрабатывал новое оружие, способствовал развитию сети национальных лабораторий, поддерживал медицинские исследования в области радиологии и закладывал основы атомного флота. Он сохранял контроль над американскими исследованиями и производством атомного оружия до образования Комиссии по атомной энергии США в январе 1947 года.