Manhattan Projesi, İkinci Dünya Savaşı sırasında ilk nükleer silahları üretmek üzere oluşturulan bir araştırma ve geliştirme projesiydi. Birleşik Krallık ve Kanada'nın desteğiyle Amerika Birleşik Devletleri tarafından yönetildi. Proje, 1942'den 1946'ya kadar ABD Ordusu Mühendisler Birliği'nden Tümgeneral Leslie Groves'un yönetimi altındaydı. Nükleer fizikçi Robert Oppenheimer, gerçek bombaları tasarlayan Los Alamos Laboratuvarı'nın yöneticisiydi. Projenin ordu bileşeni, ilk karargahı Manhattan'da olduğu için Manhattan Bölgesi olarak belirlendi; yer adı yavaş yavaş tüm proje için resmi kod adı olan "Development of Substitute Materials"ın yerini aldı. Proje süregelirken, daha önceki İngiliz muadili Tube Alloys'u bünyesine kattı. Manhattan Projesi 1939'da mütevazı bir şekilde başladı ancak 130.000 kişiyi istihdam edecek şekilde büyüdü ve yaklaşık 2 milyar ABD Dolarına mal oldu (2021 yılı için yaklaşık 24 milyar ABD dolarına eşdeğer). Maliyetin yüzde 90'ından fazlası fabrika inşa etmek ve fisil malzeme üretmek içindi, yüzde 10'dan azı silahların geliştirilmesi ve üretimi içindi. Araştırmalar ve üretimi Amerika Birleşik Devletleri, Birleşik Krallık ve Kanada'daki otuzdan fazla tesiste gerçekleştirildi.Proje, savaş sırasında her ikisi de aynı anda geliştirilen iki tür atom bombasının geliştirilmesine yol açtı: nispeten basit bir silah tipi fisyon silahı ve daha karmaşık, çökertme tipi bir nükleer silah. Thin Man ile tabanca tipi tasarımın plütonyum ile kullanımının pratik olmadığı kanıtlandı. Bu nedenle, doğal uranyumun yalnızca yüzde 0,7'sini oluşturan bir izotop olan uranyum-235 kullanan Little Boy adlı daha basit bir silah tasarımı geliştirildi. En yaygın izotop olan uranyum-238 ile kimyasal olarak aynı olduğu ve neredeyse aynı kütleye sahip olduğu için, ikisini ayırmak zor oldu. Uranyumu zenginleştirmek için üç yöntem kullanıldı: kalutron, gaz difüzyonu ve termoforez. Bu çalışmanın çoğu, Tennessee, Oak Ridge'deki Clinton Engineer Works'te gerçekleştirildi.
Berkeley'de bulunan California Üniversitesi'ndeki araştırmacıların 1940'ta keşfettiği uranyum çalışmalarına paralel olarak plütonyum üretme çabası da vardı. Dünyanın ilk yapay nükleer reaktörü olan Chicago Pile-1'in fizibilitesinin 1942'de Chicago Üniversitesi'ndeki Metalurji Laboratuvarı'nda gösterilmesinden sonra, proje Washington eyaletinde uranyumun ışınlandığı ve plütonyuma dönüştürüldüğü yer olan Oak Ridge'deki X-10 Grafit Reaktörü ve Hanford'daki üretim reaktörlerini tasarladı. Plütonyum daha sonra bizmut fosfat işlemi kullanılarak uranyumdan kimyasal olarak ayrıldı. Fat Man plütonyum çökertme tipi silah, Los Alamos Laboratuvarı tarafından uyumlu bir tasarım ve geliştirme çabasıyla geliştirildi.
Proje aynı zamanda Alman nükleer silah projesi hakkında istihbarat toplamakla da görevlendirilmişti. Alsos Operasyonu aracılığıyla, Manhattan Projesi personeli Avrupa'da, bazen de düşman hatlarının gerisinde görev yaptı ve burada nükleer malzemeler, belgeler ve Alman bilim insanlarını topladılar. Manhattan Projesi'nin sıkı güvenliğine rağmen, Sovyet atom casusları programa başarılı bir şekilde sızdı.
Şimdiye kadar patlatılan ilk nükleer cihaz, 16 Temmuz 1945'te New Mexico'daki Alamogordo Bombalama ve Topçu Menzili'nde yapılan Trinity testi sırasında çökertme silahı tipi bir bombaydı. Little Boy ve Fat Man bombaları, bir ay sonra sırasıyla Hiroşima ve Nagasaki'ye yapılan atom bombası saldırılarında kullanıldı ve Manhattan Projesi personeli, saldırı uçaklarında bomba montaj teknisyenleri ve silah ustaları olarak görev yaptı. Savaştan hemen sonraki yıllarda Manhattan Projesi, Crossroads Harekatı'nun bir parçası olarak Bikini Atolü'nde silah testleri gerçekleştirdi, yeni silahlar geliştirdi, ulusal laboratuvarlar ağının gelişimini destekledi, radyoloji alanında tıbbi araştırmaları destekledi ve nükleer donanmanın temellerini attı. Ocak 1947'de Amerika Birleşik Devletleri Atom Enerjisi Komisyonu'nun kurulmasına kadar Amerikan atom silahları araştırma ve üretimi üzerindeki kontrolünü sürdürdü.
