1941年，英國政府麵對德國飛機狂轟濫炸的嚴酷現實，放棄了製造原子彈的念頭。7月，英國派遣科學家代表團訪美，敦促美國加緊原子武器的製造，團長奧利芬特請勞倫斯幫助說服美國政府，說明用鈾235作為原子彈材料，以及利用加速器提煉鈾235的現實可行性。勞倫斯立印想到羅伯特·奧本海默。奧本海默曾指導學生幫助他搞電磁分離鈾的實驗，效果極佳，使成本下降了50％-70％，給他留下了深刻印象。
這是奧本海默第一次參與核武器的發展計劃。憑借敏銳的洞察力，他立即看出了快中子對釋放原子能、製造原子彈的重要性。他出席了一係列最高級會議，參加討論與編製發展這種武器的戰略計劃。10月21日，在斯克內克塔迪通用汽車公司的實驗室裏召開了一次重要會議，討論生產原子彈的重要問題。在會上奧本海默提出了製造一枚原子彈所需鈾235數量的計算結果。根據他提供的數據整理的會議報告，成了原子彈設計的一個藍圖。
1942年1月，國防委員會（NDRC）鈾組主席康普頓正式聘請奧本海默參加原子彈“快速裂變”的研製工作，4個月後，他成了原子彈關鍵項目的負責人。曆史把製造原子彈的科學技術問題委任給了奧本海默。1941年底爆發子珍珠港事件，美國正式對日本宣戰。奧本海默認為贏得戰爭勝利已成為當時第一位的問題，他必須全力以赴投入原子彈的研製工作。
1942年夏天，奧本海默邀請了一批美國物理學界的精英在伯克利行政辦公大樓開會，研究原子彈的基本形狀、結構、尺寸和實現核裂變的手段，壓攏與引爆的時間，製造原子彈的關鍵工藝與估算爆破威力等。組織工作有條不紊，幾周內取得了重大進展。奧本海默初步展示了他科學組織家的才華，深受科學家們的讚賞。他們都把成功歸於奧本海默非凡的才能、敏捷的思路和善於綜合他人新思想的才幹。
然而就在這次討論會上，特勒提出了利用輕元素的核聚變而不用重元素的核裂變來製造氫彈的構想。費米進一步指出，原子核裂變後引起的高溫可能會引發核聚變，使氘放出更大的能量，氘核聚變放出的能量約為鈾235裂變時放出能量的5倍，而氘的製取要較鈾235便宜得多、方便得多。這本是科學思想的正常討論，但特勒多次在會上堅持要先製造氫彈。當時不論從技術上、戰略思想上、準備條件上、或從任務進度上都不可能馬上安排試製氫彈，隻能把試製原子彈作為首要的戰略目標。從此，在奧本海默和特勒之間埋下了不和的種子，影響了各自後半生的命運。
由於原子彈試製任務日益擴大，與軍方的關係更加密切，1942年9月，軍方派格羅夫斯準將來主持“曼哈頓特區”，即原子彈的試製工作。他和奧本海默的出身、經曆、情趣、學識、科學素養、甚至外形都大相徑庭；但他很快發現奧本海默學識淵博，具有正確評價各種技術方案和立即將關鍵的科學技術問題闡述清晰的卓越才能。在他和奧本海默就曼哈頓工程首次全麵交換意見時，奧本海默根據原子彈工程的研製保密性強、而又急需展開學術思想自由交流的矛盾，提出建立綜合大型實驗室的主張，即把分散在高等學校的理論物理學家、實驗物理學家、數學家、化學專家、軍事專家、冶金和爆破專家集中於一處--該處須遠離交通樞紐及居民密集區，對外完全隔絕，保密工作可萬無一失，而內部則可自由交流學術思想。格羅夫斯將軍采納了他的意見，並任命他為綜合實驗室主任（即後來的洛斯阿拉莫斯實驗室主任）。誰知這個任命遭到了聯邦調查局的堅決反對，認為奧本海默左翼活動的曆史根本不適宜於擔任機密性如此強的科研領導工作。