在極端困難的情況下，奧本海默沒有退縮，沒有抱怨，而是重新學習。他像12年前剛剛到加州大學伯克利分校授課講得一塌糊塗，旋即迅速改正一樣，很快扭轉了洛斯阿拉莫斯工作的被動局麵。他編出了一份詳細的實驗室人員表，職責分明，按計劃要求完成進度，使組織領導重新納入正軌，完成了從一個純理論物理學家到巨型科技組織領導者的轉變。他以身作則，從早到晚投入工作，戒掉了自由散漫的毛病，以滿腔的熱情、精確的計劃、在行的評估去進行領導，學會了說服、鼓勵、規勸、協調。他不僅熟悉所有的科學家，而且叫得出工地上大多數工人的姓名和昵稱，了解他們的工作和需要，與他們同甘共苦，很快贏得了廣泛的信任和愛戴。有人說：“在工地上，隻要有需要，幾乎所有的人都願為奧比（奧本海默昵稱--作者注）赴湯蹈火。”在科學討論會上更是充滿了熱情洋溢的氣氛。奧本海默長於啟發大家各抒己見，又善於抓住關鍵引導人們深入思考。隻要有他在場的討論會，科學家都心情舒暢，滿載而歸。雖然他不是諾貝爾獎獲得者，卻贏得了絕大多數科學家的愛戴和讚譽。一些諾貝爾獎獲得者自願接受他的領導，年青的科學家甚至把他當作學習的楷模。
然而仍有兩件事使這位洛斯阿拉莫斯的總指揮憂心忡忡，情緒壓抑。一是特勒給他帶來的煩惱。特勒與奧本海默曾同是美國理論物理學界兩顆耀眼的新星，一顆在西，一顆在東，遙相輝映。特勒來洛斯阿拉莫斯稍晚，他本以為會讓他從事氫彈的研究，沒想到來了以後不僅沒讓他搞氫彈，反讓他在貝特領導下的理論部裏搞計算工作。他自認為是一流科學家，卻扮演著三流角色，受到了不公正的待遇，因此心懷不滿，處處把氣撒在奧本海默身上，在各種會議上與奧本海默作對。兩人之間原存的友誼經過幾次碰撞，蕩然無存，成了勢不兩立的對立麵。二是奧本海默一直受到保安機關的糾纏。雖然他是國家最高軍事機密研究計劃的技術負責人，但長期以來一直是聯邦調查局的偵察對象。從1942年至1944年他的一係列言行，使曼哈頓工程的保安官員對他愈來愈不放心，要把他作為“蘇聯間諜”對待，進而打報告要“解聘他”。
奧本海默招攬了一大批他的學生赴洛斯阿拉莫斯，這些青年科學家年輕有為，思想活躍，富有創造力，是從事原子彈研製開發的中堅骨幹。但是他們當中有不少人也同奧本海默早年一樣，曾與左翼有過接觸或聯係。他們有的在30年代甚至不滿美國現實，為了探索美國社會的前途而同情共產黨或參加共產黨。這就觸犯了保安人員的神經中樞。他們打報告給華盛頓稱：“在蘇聯竊取對美國生死攸關的最高國防機密的間諜活動中，奧本海默占有重要地位”，“他是極其狡猾的敵人與不忠誠的分子”。奧本海默為了完成科研工作，招聘人才卻招致了竊取國家機密情報的罪名，這是奧本海默做夢也未曾想到的。
一次偶然的機會，奧本海默在加州大學時的密友薛瓦利埃教授在廚房中和他談起，舊金山殼牌石油發展公司的英國工程師愛爾坦頓能把保密資料送往蘇聯領事館。兩人純屬閑聊，並無更深層的意思，事後雙方已忘得一幹二淨。1943年8月底，奧本海默也可能出自愛國心，也可能為了擺脫保安機關的糾纏，主動向伯克利分校的保安官員談起了愛爾坦頓的事。保安官員追問來龍去脈時，奧本海默極力回避談事情的來源。保安機關緊追不舍，或采取嚴肅提審，或采取輕鬆的談話方式，千方百計要從奧本海默口中追出那個提供線索的中介人，都被奧本海默機智地擋了回去。12月12日，保安機關通過他的上司格羅夫斯將軍下令讓他交待，不得已他隻好供出了薛瓦利埃。從此保安機關加緊了對他的全麵監視和跟蹤：他的司機是情報人員，他的信件和電話受到全麵的監聽和檢查……一般人很難想象奧本海默為了研製原子彈所背的精神十字架有多麼沉重！由於鈾235提純的速度緩慢，總也積聚不到能製造原子彈的份量，因此有人想用鈈239作為裂變材料，但又碰到技術上的“攔路虎”。鈈239產生的本底中子較多，使用“槍法”速度嫌慢，形不成有效的爆炸，隻有借助“內爆法”才能奏效，然而“內爆法”從理論到實踐還有很長的路要走。如果“內爆法”不能投入操作，那麼到1945年7月隻能製成唯一的一顆鈾235原子彈，無論從實戰或威懾的角度，都不可能實現迫使日本盡快投降的戰略目標。整個洛斯阿拉莫斯都為解決“內爆法”，製造第二顆原子彈而揪心。
這時，各路優秀科學家雲集洛斯阿拉莫斯，為解決“內爆法”生產鈈239原子彈獻計獻策。費米第一次推算出鈈彈的臨界質量隻需5公斤，大大低於人們原來的預計值，使鈈彈的生產露出了第一道曙光。炸藥專家基斯泰科夫斯基負責內爆法的全麵技術工作，這個組迅速擴展到了600人，幾種方法同時全速並進。青年科學家阿爾瓦雷斯完成了新穎的起爆裝置，達到百萬分之一秒內同時點火的指標。英國爆破專家塔克過去曾在穿甲彈的設計中采用透鏡式炸藥，使爆炸時不同速度產生的衝擊波按照光學原理，像透鏡聚光的現象而積聚在一起，形成強有力的爆炸效應。他將這個嶄新的技術引入原子彈的起爆，，解決了由於多點點火引起爆破波不均衡產生幹擾，以致根本形不成球麵波，出現非對稱性，嚴重影響起爆的問題，終於使鈈239的芯塊能按計劃壓實到臨界質量，產生出最佳爆破效應。數學家馮·諾伊曼還利用剛出世的電子計算機，進行了浩繁的計算分析，把不對稱度爆破控製在5％以內，終於解決了製造原子彈的關鍵難題。