Projeto Manhattan foi um programa de pesquisa e desenvolvimento que produziu as primeiras bombas atômicas durante a Segunda Guerra Mundial. Foi liderado pelos Estados Unidos, com o apoio do Reino Unido e Canadá. De 1940 a 1946, o projeto esteve sob a direção do major-general Leslie Groves do Corpo de Engenharia do Exército dos Estados Unidos. O componente do exército do projeto foi designado como Distrito Manhattan, sendo que posteriormente o termo "Manhattan" gradualmente substituiu o codinome oficial ("Desenvolvimento de materiais substitutos"). Ao longo do caminho, o programa absorveu o seu homólogo britânico, o Tube Alloys. O Projeto Manhattan começou modestamente em 1939, mas cresceu e empregou quase 130 mil pessoas e custou cerca de dois bilhões de dólares (o equivalente a cerca de 26 bilhões de dólares em 2013). Mais de 90% do custo foi para a construção de fábricas e produção de materiais físseis, com menos de 10% para o desenvolvimento e produção das armas. A pesquisa e produção ocorreu em mais de 30 locais nos Estados Unidos, Reino Unido e Canadá.
Dois tipos de bomba atômica foram desenvolvidos durante a guerra. Um tipo relativamente simples de arma de fissão, a Little Boy, foi feito utilizando urânio-235, um isótopo que representa apenas 0,7% do urânio natural. Uma vez que é quimicamente idêntico ao isótopo mais comum, o urânio-238, e tem quase a mesma massa, o urânio-235 revelou-se difícil de separar do urânio-238. Três métodos foram utilizados para o enriquecimento do urânio: eletromagnético, gasoso e térmico. A maior parte deste trabalho foi realizado em Oak Ridge, Tennessee.
Em paralelo com o trabalho com urânio, também houve um esforço para produzir plutônio. Reatores foram construídos em Oak Ridge e Hanford, Washington, onde o urânio foi irradiado e transmutado em plutônio, que então foi separado quimicamente do urânio. O projeto, no entanto, se provou impraticável para ser usado com plutônio. A arma do tipo de implosão Fat Man foi desenvolvida em um esforço de construção e pesquisa no Laboratório Nacional de Los Alamos, no Novo México.
O programa também estava encarregado de colher informações sobre o projeto de energia nuclear da Alemanha Nazista. Através da Operação Alsos, as equipes que compunham o Projeto Manhattan serviram na Europa, às vezes atrás das linhas inimigas, onde elas reuniram materiais nucleares e documentos junto a cientistas alemães.
O primeiro dispositivo nuclear a ser detonado foi uma bomba de implosão no teste Trinity, realizado no Campo de Teste de Mísseis de White Sands, no Novo México, em 16 de julho de 1945. Little Boy e Fat Man foram utilizadas nos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki, respectivamente. Nos anos pós-guerra, o Projeto Manhattan realizou testes de armas no Atol de Bikini, como parte da Operação Crossroads, desenvolveu novas armas, promoveu o desenvolvimento da rede de laboratórios nacionais, apoiou a pesquisa médica em radiologia e lançou as bases de uma marinha de propulsão nuclear, que manteve o controle sobre a pesquisa e a produção das armas atômicas norte-americanas, até a formação da Comissão de Energia Atômica em janeiro de 1947. O Projeto Manhattan foi operado sob uma cobertura de segurança rígida, mas os espiões atômicos soviéticos, ainda assim, conseguiram penetrar no programa e colher informações.
Em agosto de 1939, os proeminentes físicos Leó Szilárd e Eugene Paul Wigner escreveram a Carta Einstein-Szilárd, que alertou para o potencial de desenvolvimento de "um novo tipo de bombas extremamente poderosas". A carta pedia que os Estados Unidos tomassem medidas para adquirir estoques de minério de urânio e acelerar a pesquisa de Enrico Fermi e outros sobre a reação nuclear em cadeia. A carta estava assinada por Albert Einstein e foi entregue ao presidente Franklin D. Roosevelt. Roosevelt convidou Lyman James Briggs do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia para chefiar o Comitê Consultivo do Urânio, que investigaria as questões levantadas pela carta. Briggs realizou uma reunião em 21 de outubro de 1939, que contou com a presença de Szilárd, Wigner e Edward Teller. O comitê relatou a Roosevelt, em novembro, que o urânio "seria uma possível fonte de bombas com um poder destrutivo muito maior do que qualquer coisa hoje conhecida".
Briggs propôs que o National Defense Research Committee (NDRC) gastasse 167 mil dólares em pesquisas sobre o urânio, especialmente o isótopo urânio-235 e o então recém-descoberto plutônio. Em 28 de junho de 1941, Roosevelt assinou a Ordem Executiva 8807, que criou o Office of Scientific Research and Development (OSRD), com Vannevar Bush como seu diretor. O escritório estava habilitado a intervir em grandes projetos de engenharia, além de pesquisa. O Comitê NDRC sobre urânio tornou-se o Comitê do Urânio S-1 OSRD; a palavra "urânio" foi logo trocada por razões de segurança.
No Reino Unido, Otto Frisch e Rudolf Peierls, da Universidade de Birmingham, tinham feito avanços na pesquisa da massa crítica de urânio-235, em junho de 1939. Os cálculos indicaram que ela teria uma ordem de magnitude de dez quilos, suficientemente pequena para ser transportada por um bombardeiro da época. Em março de 1940, o memorando Frisch–Peierls iniciou o projeto da bomba atômica britânica e seu comitê MAUD, que recomendou, por unanimidade, prosseguir o desenvolvimento da arma. Um de seus membros, o físico australiano Marcus Oliphant, voou para os Estados Unidos no final de agosto de 1941 e descobriu que os dados fornecidos pelo comitê MAUD não tinham chegado aos principais físicos estadunidenses. Oliphant, em seguida, partiu para descobrir por que as conclusões do comitê aparentemente tinham sido ignoradas. Ele se reuniu com o comitê de urânio e visitou Berkeley, na Califórnia, onde ele falou de forma convincente a Ernest Lawrence. Lawrence estava suficientemente impressionado para iniciar a sua própria pesquisa sobre o urânio. Ele, por sua vez falou com James Bryant Conant, Arthur Holly Compton e George Braxton Pegram. A missão de Oliphant foi, portanto, um sucesso; os físicos norte-americanos estavam agora conscientes do poder potencial de uma bomba atômica.
Em uma reunião em 9 de outubro de 1941 entre o presidente Roosevelt, Vannevar Bush e o vice-presidente Henry A. Wallace, o presidente aprovou o programa atômico. Para controlá-lo, ele criou o Top Policy Group composto por ele mesmo (embora ele nunca tenha participado de uma reunião), Wallace, Bush, Conant, o secretário de guerra Henry L. Stimson e o chefe do estado-maior do exército, o general George Marshall. Roosevelt escolheu o exército para executar o projeto, em vez da marinha, visto que o exército tinha mais experiência com gestão de programas de construção de larga escala. Ele também concordou em coordenar os esforços com os britânicos e, no dia 11 de outubro, enviou uma mensagem ao primeiro-ministro Winston Churchill, sugerindo que eles se correspondessem sobre as questões atômicas.
O Comitê S-1 realizou sua primeira reunião em 18 de dezembro de 1941 "permeado por uma atmosfera de entusiasmo e urgência", na sequência do ataque a Pearl Harbor e da subsequente declaração de guerra pelos Estados Unidos contra o Império do Japão e, depois, a Alemanha Nazista. O trabalho foi prosseguindo em três técnicas diferentes de separação isotópica para desatrelar o urânio-235 do urânio-238. Lawrence e sua equipe da Universidade da Califórnia em Berkeley investigaram a separação eletromagnética, enquanto Eger Vaughan Murphree e a equipe de Jesse Beams focavam na difusão gasosa na Universidade Columbia e Philip Abelson dirigia a investigação sobre a difusão térmica no Instituto Carnegie de Washington e, posteriormente, no Laboratório de Pesquisa Naval. Murphree também era o chefe de um projeto de separação malsucedido usando centrífugas.
Enquanto isso, havia duas linhas de pesquisa em tecnologia de reator nuclear, com a contínua pesquisa de Harold Clayton Urey sobre água pesada em Columbia, enquanto Arthur Compton trouxe os cientistas que trabalhavam sob sua supervisão em Columbia e Princeton para a Universidade de Chicago, onde organizou o Laboratório Metalúrgico, no início de 1942, para estudar plutônio e reatores utilizando grafite como moderador de nêutrons. Briggs, Compton, Lawrence, Murphree e Urey reuniram-se em 23 de maio de 1942 para finalizar as recomendações do comitê S-1, definindo que todas as cinco tecnologias seriam desenvolvidas. Isto foi aprovado por Bush, Conant e o general de brigada Wilhelm D. Styer, chefe de gabinete do major-general Brehon B. Somervell do Services of Supply, que tinha sido designado para representar o exército sobre questões nucleares. Bush e Conant, em seguida, assumiram a recomendação do Top Policy Group com uma proposta de orçamento de 54 milhões de dólares para a construção do Corpo de Engenheiros do Exército, 31 milhões de dólares para a pesquisa e o desenvolvimento de OSRD e cinco milhões de dólares para contingências no ano fiscal de 1943. O Top Policy Group, por sua vez, enviou a proposta ao presidente em 17 de junho de 1942 e ele a aprovou escrevendo no documento "OK FDR".