1939年夏天，從歐洲大陸上傳來一則讓人惶恐不安的消息，法西斯德國正在利用最新的原子學理論加緊研製一種破壞力空前的新式武器。這種東西就是後來威名大振的原子彈。一些因逃避法西斯迫害而流亡美國的歐洲科學家們立即感覺到，如果讓戰爭狂人希特勒首先擁有了原子彈這種武器，全世界將會遭到毀滅性的攻擊。
8月的一天，羅斯福總統接到一封由著名科學家愛因斯坦簽名的信，信中說明了元素鈾在不遠的將來，有可能製造出一種威力極大的新型炸彈，在信中表達了一種前所未有的擔心，並建議美國政府即刻採取行動搶在德國之前製造出這種新型炸彈。
由於對原子學這個神秘領域還一無所知，羅斯福總統有些猶疑不定，這件事非同小可。幸虧科學顧問薩克斯啟發他說：當年拿破崙就是因為沒有採用富爾頓創造蒸汽船的建議，最終沒能渡過英吉利海峽征服英國。10月19日，羅斯福決定對愛因斯坦的信作肯定的回答，並成立研究原子武器代號為「S-11」的特別委員會。
1942年8月，美國陸軍工程兵團建築部副主任格羅夫斯將軍主持「S-11」特別委員會的科學家和高級管理人員召開會議，制定了一個名叫「曼哈頓」的新計畫。計畫規定，研究工作所有指揮權都集中在「曼哈頓」工程管理處。原子實驗室則設在新墨西哥州荒原上。整個工程上馬以後馬上處於嚴格保密狀態中，連副總統杜魯門也是在1945年羅斯福死後接任總統時才得知。
與此同時，納粹德國也在加緊研究製造原子彈。為了延緩德國研製原子彈的進程，1943年2月17日，盟國派出的突擊隊炸掉了德軍佔領的挪威重水工廠，罐中作為製造原子彈緩衝劑的重水流入了下水道。納粹德國製造原子彈的工作受到了阻礙。為了搶在德國人之前造出原子彈，美國向歐洲戰場派出了「阿爾索斯」行動小組，專門在歐洲各地搜捕德國科學家和收集德國製造原子彈的情報。1944年春季，美國陸軍總部派出一個突擊兵團襲擊黑興根，這個「U計畫」基地被徹底破壞，德軍已然無法趕在徹底失敗之前造出原子彈了，盟軍總算鬆了口氣。
美國方面則沒有停止原子彈的研製。1945年7月16日5時30分，美國製造的第一顆試驗性原子彈在新墨西哥州爆炸成功，一道閃電劃破了黎明的長空，一團巨大的火球升上8000米高空，大地也在微微顫抖。美國第一批成功製造出三顆原子彈，在新墨西哥州試爆的那顆原子彈被命名為「瘦子」，另外兩顆分別叫「胖子」和「男孩」，在日本上空爆炸的正是後兩顆原子彈。
原子彈爆炸成功時，接替羅斯福就任美國總統的杜魯門正前往參加波茨坦會議，他認為，原子彈不僅可以對付在戰爭中讓美國人傷亡慘重的日本，還能威懾和抑制蘇聯這個超級大國，提高美國在國際上的軍事地位。8月2日，還在歸國途中的杜魯門最終下定決心立即對日本使用原子彈。
為了執行向日本投擲原子彈的特殊任務，早在1944年底，美國陸軍航空兵受命組建了一支特殊的轟炸機部隊。轟炸練習一定要在將近一萬米的高空進行，每架飛機總是只投下一顆重約5噸的模擬炸彈，經過不斷練習，投彈然後返回的能力已經具備，現在需要做的就是等待最終的命令了。原子彈畢竟不同於一般的武器，其大規模毀滅性使得一顆原子彈至少能一次性殺死數萬人。而且對於敗局已定的日本是否還需要藉助於原子彈的威力呢？美國科學家和軍界人士分為兩派，一方擔心這個毀滅性武器累及太多無辜生命，可能會有失美國大國風範，因而主張在日本的偏僻地或中立國投放原子彈；而另外一派則認為「純粹技術性的示威」根本不起作用，只有軍事上的使用才能震懾日本，拯救美國士兵的生命。是否使用原子彈的決定權最終取決於總統。7月26日，杜魯門總統下令戰略情報局向日本廣播《波茨坦公告》，警告日本必須無條件投降，否則將「迅速完全毀滅」，但是頑固不化的日本內閣決定不予答覆，於是日本不可避免地遭受了原子彈的轟炸。
在日本上空投放的兩顆原子彈，一顆叫「男孩」，體長3米，直徑70厘米，重約4400公斤；另一顆叫「胖子」，體長3.25米，直徑1.25米，重約4540公斤。8月6號，「男孩」黑夜中首先出發，光顧了擁有28萬居民的日本重要軍港——廣島，這顆原子彈的投放並未引起當地人的警覺，人們因為每天都有太多的美軍飛機前來轟炸而麻木。「男孩」的能量相當於1.25萬噸梯恩梯炸藥，造成了數十萬的死亡人數。8月8日，「胖子」出發，目標本來是日本最大的軍火工廠——小倉兵工廠，由於雲層太厚導致無法瞄準投彈。「胖子」沖向另一個目標——港口工業城市長崎。長崎處於谷地並不適合原子彈爆炸，群山限制了原子彈威力的充分發揮，所以「胖子」所造成的損失比「男孩」小。就在第二顆原子彈轟炸長崎的前一天，蘇聯對日宣戰，並於8日出兵中國東北攻擊日本關東軍。原子彈和蘇聯的出兵，加速了日本的潰敗。