曼哈頓工程由美國陸軍工程兵負責，總部設在華盛頓。曼哈頓是紐約的精華所在，也被稱為“美國的象征”。這個計劃的保密程度非常嚴格，以至於連當時的國會議員杜魯門也是幾年後才了解真實情況的。整個工程由美國陸軍工程兵建築部副主任格羅夫斯將軍負責。白宮授權政府開支22億美元，投入人力50萬。這是美國曆史上一項偉大的創舉。
格羅夫斯選用奧本海默為總設計師。奧本海默被授予這一職位可以說是當之無愧，他知識淵博、思想活躍，具有戰略眼光和洞察力，以及潛在的組織才能，善於與各種領導打交道。更為可貴的是，他一工作起來就達到忘我的程度，是一位難得的人才。
奧本海默接受任職之後馬上組織專家們研究了原子彈的基本形狀、結構、尺寸等等。他們認為，原子彈形狀應當像一個圓球，鈾芯被包在又厚又重的金屬殼內。外殼有兩個作用：一方麵它能在爆炸的最初千分之幾秒內將爆炸物質約束住，不使其飛散；另一方麵它又能把泄露到鈾芯以外的中子部分地反射回去參與裂變過程。
僅用了短短的幾周時間，奧本海默帶同事們不僅研究和整理了已有的研究成果，還弄清楚了製作原子彈的步驟。澳本海默卓越的領導才能盡顯其中。
奧本海默在洛斯阿拉莫斯實驗室裏，還設了一個專門研究原子彈的起爆機製的軍械處。軍械處的專家們想出了一種簡單易行的辦法：先造一個質量接近（絕不能達到）臨界質量的核裝藥炸彈，然後，利用槍的原理，把另一塊裂變物質做成核“子彈”，在擊發時，將核“子彈”射到接近臨界質量的核裝藥炸彈中，使這枚原子彈在瞬間達到或超過臨界質量，從而立即發生爆炸。考慮到原子彈的效率，設計師要求當兩塊核彈藥撞在一起時，至少有一個中子將肯定在兩塊東西有機會分離和破碎之前開始鏈式反應，這就需要一個起爆器——一個鐳加鈹中子源，或一個釙加鈹中子源。讓鐳附在一塊彈芯上，而讓鈹附在另一塊上，以便在兩部分猛撞在一起時，能射出中子，從而引發鏈式反應。
塞思·內德邁耶提出了他設想：在球形反射層周圍裝上一層球形的高效炸藥，裏麵是一個具有厚壁的空心球形彈芯。在許多點同時點火以後，高效炸藥爆炸後產生的衝擊波會從四周擠壓反射層，反射層又會擠壓彈芯，其結果會把空心球形彈芯變成實心的球狀彈芯。但是，幾乎所有的科學家（包括奧本海默）都強烈反對。
奧本海默雖然懷疑內德邁耶的方法，但是，他深知原子彈的研製需要仔細的推敲，大膽的嚐試。考慮到原子彈的起爆研究尚處於探索階段，需要每個人的積極配合。如果采取簡單的行政命令或少數服從多數的辦法，給某種設想和建議判處死刑，可能會使研究工作受到阻礙。因此，奧本海默單獨召見內德邁耶，對他富於創造性的思考給予了高度評價，並任命這位孤軍奮戰的勇士為新設的軍械處內爆實驗組組長，還給他配備了助手。內德邁耶不負眾望，在其他科學家的大力支持下，終於完成了內爆設計的任務。
奧本海默對於世界一流的學術領導人的稱號當之無愧，他力排眾議，大膽鼓勵和支持年輕人的設計，並為其提供必要的研究條件。
真理與磨難往往並存。越是天才的設計，能一下子了解其妙處的人越少，因而往往受到的阻力也越大。這就需要決策者慧眼識珠，更需要建議者相信自己的分析和判斷，相信領導和同事們科學求實的精神和眼力，旁征博引，據理力爭，把智慧的火花盡可能地放大，使它不僅照亮自己，也能照亮別人。
1945年7月16日淩晨，在新墨西哥州的阿拉莫可德沙漠中進行了世界上第一顆原子彈的爆炸實驗。淩晨兩點，從洛斯阿拉莫斯或更遠的地方來的客人開始到達離實驗場32公裏的觀察地點。清晨，5點30分按動引爆裝置。瞬間，好像無數的太陽同時放射出耀眼的光芒，立時出現了一個直徑為2公裏的巨大火球向空中升騰，轉眼之間變成高達10000米的龐大蘑菇雲，由於爆炸引起了颶風，並像地震一樣震撼著沙漠的大地。安放原子彈的鐵塔，已被幾百萬度的溫度蒸發得無影無蹤，留下了巨大的深坑，估計原子彈的爆炸當量約相當於2萬噸TNT炸藥。
有人回憶當時的場景說：“在爆炸的那一時刻，我正直視著它，沒有帶任何保護眼睛的東西。我看到先是一種黃色光輝，隨後幾乎全部都變成了一種壓倒一切的白色閃光，光線是那樣強烈，我什麼也看不見了……在爆炸20或30秒後，我逐漸恢複了正常的視力。這一壯觀的場麵真令人吃驚。”