原子彈的出現，與其他科學技術上的發明一樣，有著自己的發生和發展過程。
早在 19世紀初，人們就已經知道自然界的物質成千上萬，性質千差萬別，它們都是由一些有限的基本元素組成的，而每種元素又是由許多化學性質相同的微粒——原子組成的。
1896年，法國物理學家貝克勒爾和波蘭出生的年輕科學家居裏夫人，發現自然界有一些元素的原子核能自發地放出一些肉眼看不見的射線，這些射線可以使照相底片感光；元素在發出射線時，會釋放出部分能量，同時它自身就轉變成具有另一種性質的新元素。於是他們把元素的這種性質叫做天然放射性，把元素原子核的這種轉變過程叫做核衰變。這不僅加深了人們對原子結構複雜性的認識，而且使人們意識到在原子核內蘊藏著巨大的能量。
首先找到利用核能途徑的人是費米。費米出生在意大利羅馬一個鐵路職工家庭，年輕的時候曾在德國學習。他 25歲就當上了羅馬大學第一任理論物理學教授，1938年底移居美國。
1934年，法國物理學家約裏奧—居裏夫婦宣布，他們用 a粒子轟擊鋁、硼的時候，產生了人工放射物質。費米得知這一消息後，決定試用中子產生人工放射現象。費米按照元素周期表的順序，從氫開始，用中子順序轟擊，當試驗第八號元素氟時，得到了人工放射性。在接下來的試驗中，他又發現在中子轟擊鈾時，產生了從未見過的新元素。1934年 6月他宣布了這個發現，但並沒意識到在這個實驗中可能引起了鈾的裂變。
1934年 10月，費米的助手發現，當用中子轟擊金屬銀來產生人工放射性時，有一種奇怪的現象，就是放在銀附近的鋁可能影響銀的放射性。助手把這個現象報告了費米。在費米指導下做了進一步的實驗，確定在中子源和銀之間的鋁板，可以增加銀在中子照射以後產生的放射性。鋁是重物質，費米提出把鋁換成石蠟，重新做實驗。沒想到，在中子源和銀中間放置石蠟以後，竟使銀的放射強度提高了 100倍。
怎樣解釋這種現象呢？費米提出慢中子效應：中子通過含有大量氫的物質的時候，和氫原子核——質子發生碰撞，速度變慢了，更容易被銀原子核所俘獲，所以產生的人工放射性更強。由於發現了中子效應，費米獲得 1938年諾貝爾物理獎金。
在費米發現用中子轟擊鈾可以產生超鈾元素後，在巴黎的約裏奧—居裏夫婦和柏林的哈恩、梅特納都認真研究了這個問題。
1938年秋天，哈恩和斯特拉斯曼精確分析了中子轟擊鈾以後的產物，發現有鋇存在，鋇的原子量大約是鈾的一半，這說明鈾原子核在中子轟擊下分裂成兩半。哈恩把實驗情況寫信告訴了梅特納。梅特納立刻從數學上進行分析。她認為：每裂變一個原子可以放出大約兩億電子伏的能量。
裂變反應的發現震驚了科學界，因為它說明鈾分裂的時候可以放出兩個中子，而這兩個中子又可能引起兩個鈾核分裂，這樣就能夠從一個鈾核裂變引起二、四、八、十六。。鈾核裂變。這是連鎖反應，它將釋放出無比巨大的能量。