Dois tipos de bomba atômica foram desenvolvidas durante a guerra. Um tipo relativamente simples de arma de fissão 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 que 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 de urânio, também representava um esforço produzir plutônio. Os reatores foram construídos em Oak Ridge e Hanford, Washington, onde o urânio foi irradiado e transmutado em plutônio. O plutônio foi então separado quimicamente a partir do urânio. O projeto do tipo da arma se provou impraticável para usar com plutônio. Para uma arma do tipo de implosão mais complexo, foi desenvolvido em um projeto concertada e esforço de construção de pesquisa principal do projeto e laboratório de design em Los Alamos, Novo México. O projeto também foi acusado de colher informações sobre o Projeto de energia nuclear alemão. Através da Operação Alsos, o pessoal do Projeto Manhattan serviu na Europa, às vezes atrás das linhas inimigas, onde eles reuniram materiais nucleares, documentos e cientistas alemães.

O primeiro dispositivo nuclear a ser detonado foi uma bomba de implosão no teste Trinity, realizado no Bombardeio de Alamogordo com artilharia de alcance no Novo México em 16 de julho de 1945. Little Boy e Fat Man do tipo de implosão foram utilizados nos bombardeios atômicos de Hiroshima e Nagasaki, respectivamente. Nos anos pós-guerra, o Projeto Manhattan realizou testes de armas em 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 para a marinha nuclear. A marinha manteve o controle sobre as armas atômicas americanas de pesquisa e produção, 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.