曼哈顿计划的最终目标是赶在战役结束以前造出原子弹。虽然在这个计划以前，S-1执行委员会就肯定了它的可行性，但要实现这一新的爆炸，还有大量的理论和工程技术问题需要解决。在劳伦斯、康普顿等人的推荐下，格罗夫斯请奥本海默负责这一工作。为了使原子弹研究计划能够顺利完成，根据奥本海默的建议，军事当局决定建立一个新的快中子反应和原子弹结构研究基地，这就是后来著名于世的洛斯阿拉莫斯实验室。奥本海默凭着他的才能与聪明，以及他对于原子弹的深刻洞察力，被任命为洛斯阿拉莫斯实验室主任。正是由于这样一个至关重要的任命，才使他在日后赢得了美国“原子弹之父”的称号。
奥本海默开始时对困难估计不足，认为只要6名物理学家和100多名工程技术人员就足够了。但实验室到1945年时，发展到拥有2000多名文职研究人员和3000多名军事人员，其中包括1000多名科学家。
鉴于大多数科学家都反对实验室的军事化，格罗夫斯同意加州大学成为洛斯阿拉莫斯名义上的治理单位和合同保证单位，基地的军队负责实验室建设、后勤供给和安全保障。这就保证了实验室内部的自由学术讨论。奥本海默鼓励科学家们大胆地讨论原子弹的有关科学问题，提出即使看门人的意见，也会对原子弹的成功有一定的帮助。奥本海默注重倾听任何人的意见，把握着整个实验进程。有些参与核研究的物理学家后往返忆说，他们自己甚至都不如奥本海默清晰自己工作的细节和进展。在很多问题上，都是由于奥本海默的决断才取得突破，保证了原子弹研制时间表的执行。奥本海默在科学家、普通职工和政府官员中的威望越来越高。洛斯阿拉莫斯素有“诺贝尔奖获得者集中营”之誉，人们称奥本海默为这个集中营的“营长”。奥本海默没有获过诺贝尔奖，却拥有如此高的个人威望，他的组织才能与人格魅力由此可见一斑。
在“曼哈顿工程区”工作的15万人当中，只有12个人知道全盘的计划。其实，全体人员中很少有人知道他们是在从事制造原子弹的工作。例如，洛斯阿拉莫斯计算中央长时期内进行复杂的计算，但大部分工作人员不了解这些工作的实际意义。由于他们不知道工作目的，所以也就不可能使他们对工作发生真正的爱好。后来，有一个年轻人说明了他们是在做什么样的工作。此后，这里的工作达到了高潮，并且有许多工作人员自愿留下来加班加点。经过全体人员的艰苦努力，原子弹的许多技术与工程问题得到解决。
1942年12月2日，在恩利克.费米的指导下，芝加哥大学建成世界上第一个实验型原子反应堆，成功地进行可控的链式反应。
1943年春奥本海默领导的制造原子弹的工作，在洛斯阿拉莫斯的实验室开始。
1944年3月，橡树岭工厂生产第一批浓缩铀235。
1945年7月12日，一颗实验性原子弹开始最后装配。
1945年7月15日凌晨5点30分，世界上第一颗原子弹在新墨西哥州阿拉莫戈多的一片沙漠地带爆炸(因试验场名字，又叫三位一体爆炸。)试验成功7月25日，在太平洋的比基尼环礁，原子弹试爆成功。8月6日和9日，美国分别在日本的广岛和长崎投下了原子弹。随着苏联军队出兵我国东北，日本天皇于15日公布无条件投降，第二次世界大战结束了。
曼哈顿计划不仅造出了原子弹，也留下了14亿美元的财产，包括一个具有9000人的洛斯阿拉莫斯核武器实验室;一个具有36000人、价值9亿美元的橡树岭铀材料生产工厂和附带的一个实验室;一个具有17000人、价值3亿多美元的汉福特钚材料生产工厂，以及分布在伯克利和芝加哥等地的实验室。