从理论上讲，人们在几十年以前就知道原子分裂会释放出巨大的能量，大大超过人类已经发明的任何爆炸物。20世纪30年代，德国和等国的专家开始提出明确的核裂变理论，并进行揭示原子秘密的试验。
1939年初，欧洲上空开始笼罩战争的阴云。在的一批专家（其中一些人刚刚从德国逃离出来）明显注意到这一点：德国开始研制原子弹。这种可能性是极其可怕的，因此这些专家以阿尔伯特·爱因斯坦为首给总统写信，发出德国正在研制原子弹的危险警告。需要在研制方面打败，应该立即采取行动，同时提供巨大的资金支持。
1939年10月，即欧洲爆发战争一个月以后，总统指示来研究这个问题。
在接下来的6年里，负责实施“曼哈顿计划”，研制原子弹。这是整个二战期间最秘密的武器研制计划。整个计划规模庞大，不仅需要秘密实验室、“重水”工厂和大量用于制造电子线圈的银，还需要进行采矿，以获得足够的铀。
1942年12月2日，由诺贝尔物理学奖获得者恩里科·费米领导的一个研究小组在芝加哥大学废弃的足球场看台下的一个秘密实验室里，建造成功世界上第一座可自我维持运行的核反应堆。一年以后，新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯国家实验室的专家在著名物理学家罗伯特·奥本海默的领导下，开始研制以恩里科·费米的研究成果为基础的。1945年7月16日，研制的人类第一颗原子弹在新墨西哥州的沙漠地区爆炸成功。
结束二战
在1945年7月至8月初举行的波茨坦会议上，美、英、苏三国首脑一起讨论战后德国的处置等问题，总统杜鲁门顺便提到了第一颗原子弹的爆炸。据杜鲁门说，他认为对日本使用原子弹没有任何问题。唯一的问题是投掷的时间和适当的目标。
由于受到体积和重量的限制，原子弹只能由B-29轰炸机携带；即使是B-29轰炸机，也必须经过特别改装，机组人员也需要进行专门的训练，才能使用这种新型武器。1944年夏天，一位战绩卓越的优秀飞行员保罗·蒂贝茨中校奉命率领其机组人员开始实施投掷原子弹计划。在接受完训练后，蒂贝茨和战友们移师马里亚纳群岛的天宁岛。在对日本进行了大量常规轰炸以后，美军又使用绰号“南瓜”的大型常规炸弹对日本进行了多次轰炸，这种大型炸弹的体积、形状和重量都与原子弹类似。
关于原子弹轰炸目标的选择也存在多种因素。杜鲁门总统和他的顾问决定攻击纯军事目标，而不是为了展示武力，例如轰炸日本东京附近的海岸。因为原子弹数量有限，不能浪费在空地上。还有另一种担心，原子弹实弹尚未测试，而第一颗原子弹的爆炸是在实验条件下的大型固定设备上进行的，一旦原子弹没有爆炸，那么心理和宣传上的风险都非常巨大。
这种担忧并不是多余的，甚至连参谋长联席会议主席威廉·莱希将军（他自称自己是武器专家）也预测说可能会失败。
另外，军事策划者和专家们希望选择一个没有被轰炸过的目标，这样更容易确定原子弹爆炸的效果。亨利·史汀生将日本的京都从目标名单中删除，因为它是一个历史文化名城。目标名单中排在首位的城市是广岛——日本第八大城市，一个大型海港，日本第二军司令部所在地，而且是一个重要的军事工业中心。
1945年7月底，总统杜鲁门警告日本必须投降，否则将面临可怕的后果。但是日本人置之不理。8月2日，蒂贝茨接到了向日本投掷原子弹的命令。8月6日凌晨两点半，携带代号为“小男孩”的原子弹的B-29轰炸机从天宁岛起飞，目标是日本广岛。航程一路顺利。早上8:15，原子弹在广岛上空爆炸，该市建筑物全部倒塌，死伤总人数达20多万。8月9日，美军又出动B-29轰炸机将代号为“胖子”的原子弹投到日本长崎市，同样造成重大人员伤亡。8月15日，正式宣布日本无条件投降。
关于是否有必要使用来迫使日本投降一直存在争论，但任何时候这都不是一个重要问题。杜鲁门总统对自己的决定从不后悔，要知道定于当年11月进攻日本本土的计划可能会造成双方数以百万计的人员伤亡。杜鲁门不希望付出这么高的代价。战后日本领导人承认，原子弹是打破他们抵抗意志的最后一根稻草。原子弹的巨大力量所产生的心理作用与物理作用一样强大。从本质上说，所有人都认为原子弹从根本上改变了战争方式。将会出现新战略、新武器、新组织和新学说。
在比基尼岛测试原子弹
1945年8月25日，参议院原子能委员会主席布莱恩·麦克马洪议员建议，把缴获的日本和德国的军舰运送到海上，用原子弹轰炸它们，以证明的威力。参谋长联席会议表示同意。1946年1月，代理肯尼斯·罗亚尔和海军部长詹姆斯·福雷斯塔尔向总统提交了一份备忘录，强调“这些试验是必要的，可以确定这种强大的新型武器的威力，以及武装力量的规模、组成和部署，尤其是有助于分析未来战争的设计和战术。”
杜鲁门总统批准在太平洋的比基尼岛进行这些试验，试验代号为“十字路口”。
和海军共同进行这些核试验，因为试验的主要目标是的剩余舰船和缴获的敌人舰船。试验计划要求在这些舰船的上空进行一次空中爆炸——由一架B-29轰炸机投掷核炸弹，还要由海军进行两次水下爆炸（在试验中只进行了一次水下爆炸，因为第一次就已经很成功）。
海军的威廉·布兰迪中将是“十字路口”试验的总指挥官，航空队的威廉·凯普纳少将是他的副手，罗杰·雷米准将率领航空队的2200名官兵参加试验。
第一次试验代号为“能力”，时间定于1946年7月1日。为此，在新墨西哥州进行了几个月的演练，在沙漠地区投掷“南瓜”训练弹。精度仍然是一个关键问题。机组人员做好了充分准备，然后飞往马绍尔群岛。他们在目标区域投掷了27颗训练弹，以完善自己的技术。
7月1日，一架B-29轰炸机飞到了“内华达”号军舰上空（这艘军舰涂成了红色，以便飞行员容易发现它），机组投下了原子弹。按照预定计划，炸弹应该在军舰上空550英尺爆炸，并立即击沉军舰。炸弹在518英尺高空爆炸，但是却偏离目标近半英里。虽然进行了几个月的演练，在真正投弹前进行了两次试投，炸弹仍然在天气良好的情况下偏离了目标，而且差了这么大的距离。
出了什么问题？
人们开始对机组人员、轰炸机、轰炸瞄准器以及原子弹本身议论纷纷。负责研究与开发的空军副参谋长柯蒂斯·李梅将军命令立即对轰炸机和轰炸瞄准器进行检查，但是没有发现任何故障。机组人员的错误也被排除了，虽然有人认为是飞行员的失误造成的。战略空军司令部的官方历史则将责任推给了无法预测的风。
一份事故报告得出结论说：“某种异乎寻常的力量影响了炸弹，使得炸弹以不可预测的和飘忽不定的方式偏离了航线，最终结果导致实际位置与理论位置有差距。”还有一种说法称炸弹尾翼在炸弹离开飞机时受损，导致炸弹偏离航线。
航空队则指责炸弹不正确的空气动力设置，并以此为依据要求增加计划的透明度。如果航空队需要对战争中投掷的原子弹负责，那它就应该进一步了解原子弹的结构。研制和使用的负责部门相互分隔，是产生问题的主要原因。
虽然原子弹偏差很大，但是试验也让军方和决策者有机会见证新武器的威力。许多人清醒地发现了这一点。
负责审查“十字路口”试验结果的官方委员会在报告中极其明确地指出了原子弹的重要性：“如果可以大量使用，原子弹不仅能够使任何国家放弃军事努力，还能够它的社会和经济结构，并使其在长时间内无法重建。”报告进一步指出，对原子弹无法防御；因此，需要储备足够的，以便压倒任何潜在的敌人。
原子弹的威力使大多数资深外交家和感到吃惊，也被公认为历史上的一个重要时刻。一架飞机所携带的一颗炸弹就能够一座城市的大部分地区，杀死成千上万的人，并产生巨大的心理影响。使用这样一种相对较小的武器几乎在一瞬间造成如此巨大的破坏动摇了军事理论的基础。
航空队指挥官卡尔·斯帕茨将军在1946年4月写道：“战略轰炸是战争历史上第一种能够强大工业化敌人的核心能力的工具。它能够使敌人的核心军事力量瘫痪。”
早期的原子弹大而笨重，只有大型飞机能够携带。经过特别改装的B-29轰炸机是当时世界上最大的飞机，也是原子弹的主要载体，而且B-29轰炸机属于航空队。这给了飞行员以自豪感和偏执。虽然他们拥有轰炸机，但是没有自己的原子弹。曼哈顿工程区控制了原子弹的所有方面——研发、制造和组装。1947年1月，曼哈顿工程区被撤销，各功能部门被原子能委员会（AEC）接收。
朝鲜战争爆发以后，由于担心与苏联和中国发生大规模冲突，对原子弹的权限最终转移给了军方，当时原子弹被部署到了关岛。
到了20世纪50年代末，总统下令将90%以上的原子弹库存转交给军方。这种情况一直持续下去。