美国人对科学的兴趣可以追溯到建国之初。托马斯·杰斐逊和本杰明·富兰克林不仅是政治家，还是发明家和科学家。在19世纪60年代的内战时期，美国成立国家科学院。到20世纪初，成立科技办，推进农业、医疗，甚至空中运输的科学技术发展。1914年一战爆发时，联邦政府雇佣了各个领域的大量科学家进行科研工作。不过，在二战爆发前，联邦政府对科研的资助非常有限，只对有明确目标的研究提供资助，如先进的武器或军事运输体系的研究等。
二战的爆发，改变了美国政府与科学家的有限联系。战争之初，德国武装力量向世界展示了新型坦克、大炮和其他武器的威力。富兰克林·罗斯福深知，一旦美国卷入战争，就必须发展自己的现代武器，于是在1940年成立了国防研究委员会，以支持并组织武器的研制。这个新委员会有美国最顶尖的科学家，包括哈佛大学校长、麻省理工学院院长和贝尔研究室的负责人。委员会的工作卓有成效，因此，罗斯福后来又成立了权力更大的科学研发办公室。这两个组织的负责人都是万尼瓦尔·布什。他有长期的研究经历，还是一位电力工程师和发明家。他把科学家组织成敬业而有建树的队伍。在随后几年里，美国科学家帮助美国海军发现德国的潜艇，帮助炮弹准确打到目标，研制出威力更为强大的火箭，以保护美军在外国海滩登陆。美国科学家和医生们还极大地推进了战时医疗技术的发展，历史上第一次给伤病员以良好救治。
无论从哪方面来说，这一时期科学技术发展的最重要成果是原子弹。1939年，阿尔伯特·爱因斯坦给罗斯福总统写了一封信，说现在已经有可能尽快研制出一种威力强大的武器，这是一种通过原子爆炸产生威力的武器。他敦促罗斯福组织美国科学家赶在德国科学家之前研制出第一颗原子弹。爱因斯坦的建议并未引起罗斯福重视，因为他下令研制后的第一笔拨款只有6000美元。
1941年12月7日，珍珠港事件爆发，成为美国加快研制原子弹的转折点。1942年初，美国科学家虽然对研究原子弹的努力方向，甚至费用和时间有了大致构想，但核研究的庞大工程超过了科研机构的能力，没有一家工业公司能在短期内完成有关生产设施建设。美国核研究的负责人之一布什认为，只有军队以最高优先权，才能在战争结束前生产出核原料来。3月9日，他在给总统的报告中提出把全部的研制和生产管理移交给军队。6月17日，布什给罗斯福准备了一份将核计划全部交给军队领导执行的详细报告。罗斯福立即批复了布什的报告。美国的原子弹研制计划由此正式开始。罗斯福总统赋予计划以“高于一切行动的特别优先权”。
在参谋长联席会议主席马歇尔支持下，美国军方同意按原S-1委员会（负责铀研究的一个机构）的建议，开始建设4种分别采用不同方法的铀同位素分离工厂和其他的研制、生产基地。军队把整个计划取名为“代用材料发展实验室”，指派美国军事工程部的马歇尔上校负责全部行动。
马歇尔上校循规蹈矩，与科学顾问们合不来，使研究计划优先权的升级和气体分离工厂地址的选择拖延了两个月。9月，政府战时办公室和军队高层领导决定，领导修建美国国防部五角大楼的格罗夫斯上校接替马歇尔上校。格罗夫斯在赴任之前，被提升为准将。
格罗夫斯在上任不到48小时内就把计划的优先权升为最高级，选定田纳西州的橡树岭作为铀同位素分离工厂基地。因为马歇尔上校的总办公室最初将设在纽约曼哈顿区，于是将新管区命名为“曼哈顿”，曼哈顿工程区就这样诞生了。美国核研究计划不久后取名为“曼哈顿计划”。
曼哈顿计划的最终目标是赶在战争结束前造出原子弹。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，但要实现这一目标，还有大量的理论和工程技术问题需要解决。在劳伦斯、康普顿等人推荐下，格罗夫斯请奥本海默负责这一工作。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，这就是后来闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室。奥本海默凭借其才能与智慧，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。这一至关重要的任命，使他在日后赢得了美国“原子弹之父”的称号。
奥本海默开始对困难估计不足，认为只要6名科学家和100多名工程技术人员就够了。后来发展到拥有2000多名研究人员和3000多名军事人员，其中包括1000多名科学家。某些部门带博士头衔的人甚至比一般工作人员还多，且不乏诺贝尔奖得主。曼哈顿工程在顶峰时曾经起用了53.9万人，总耗资高达25亿美元。这是在此之前任何一次武器实验所无法比拟的。
奥本海默鼓励科学家大胆讨论原子弹的有关问题，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。奥本海默注意倾听任何人的意见，认真掌握整个实验进程。有些参与核研究的物理学家后来回忆说，他们自己甚至都不如奥本海默清楚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。洛斯阿拉莫斯被称为“诺贝尔奖获得者集中营”，奥本海默没有获得过诺贝尔奖，却被称为这个“集中营”的“营长”。在曼哈顿工程区工作的15万人当中，只有12个人知道全盘计划。洛斯阿拉莫斯计算中心长时期内进行复杂计算，但大部分工作人员不了解工作的实际意义。
1942年12月，在恩利克·费米指导下，芝加哥大学建成世界第一个实验型原子反应堆。1944年3月，橡树岭工厂生产出第一批浓缩铀235。1945年1月，哈里·杜鲁门就任美国副总统，不仅不知道曼哈顿计划，而且觉得美国境内有些工厂莫名其妙，还派人调查这些工厂是做什么的。4月，罗斯福总统病逝，杜鲁门继任总统。几天后，美国陆军部长史汀生悄悄告诉他，他下令调查的那些工厂是服务于曼哈顿计划的。
希特勒自杀后两个月，1945年7月初，美国造出3颗原子弹，分别命名为“大男孩”、“小男孩”和“胖子”。随即在阿拉莫戈多沙漠上，一座高达30米的铁塔竖了起来，原子弹爆炸试验就将在这个架子上完成，这次试验的代号为“复活日”。
德国投降后，为了协调处理德国战败后的相关问题以及对日作战等有关事宜，同盟国决定于7月17日至8月2日在德国的波茨坦举行首脑会议，这次会议的代号为“终点”，表示将是二战期间最后一次盟国首脑会议。
7月15日，杜鲁门到达波茨坦，而在万里之外的阿拉莫戈多沙漠，美国的核试验人员把核裂变物质放入“大男孩”的肚子里。试验人员在14千米以外设置了观察所，里面隐蔽着425名科学家和军事专家，他们怀着紧张的心情，等待着惊心动魄的最后一刻。
7月16日5时29分45秒，“大男孩”炸响，蘑菇状的大圆球升到10000英尺以上高空，铁塔被高温在瞬间蒸发得无影无踪。这场爆炸超出了现场所有人的想象，以至于整个美国西南部都感到了震动。
随后，陆军部长史汀生向杜鲁门总统发报，原文就一句话：“孩子生下来了。”这时，杜鲁门面临抉择，那就是是否向日本投掷原子弹，以尽快结束太平洋战争。一旦原子弹在日本某城市爆炸，将会造成大量人员的死亡和受伤；但他想尽快迫使日本投降，也想以此抑制苏联，决定对日本投掷原子弹。杜鲁门说：“我们发明了原子弹，我们使用了原子弹，我们将继续使用原子弹，一直到彻底摧毁日本用于发动战争的一切力量，一直到日本投降为止。我们使用原子弹，承担着庄严的责任。我们感谢上帝，让我们使用原子弹，而不是让我们的敌人对我们使用原子弹，而且我们请求，上帝指引我们以他认为合适的方式和他所要达到的目的使用原子弹。”
美国陆军部长史汀生后来回忆说，此时除了按照《波茨坦公告》所述动用美国全部武装力量消灭日军并摧毁日本外，他别无选择。他补充道：“原子弹是实现这个目的的最佳武器。”
罗斯福总统去世前，曾命令空军组成一个秘密分队，它就是509小组。509小组成员只知道将来执行一项特殊使命，在任务到来之前，每天进行精确投弹训练。后期训练就是每天出动两三架飞机，到日本去扔一颗炸弹后回来。实战训练中，509大队共投下38枚模拟炸弹。
波茨坦会议结束时通过《波茨坦公告》，敦促日本政府立即无条件投降，否则，日本就只有“迅速和彻底地毁灭”。日本政府没有意识到这一警告的背后就是将使用原子弹的暗示，所以拒绝了《波茨坦公告》。
波茨坦会议后，杜鲁门乘美国军舰回国，回国途中，杜鲁门向军方下达命令：去投掷那颗大炸弹吧，现在没有任何选择的余地了。
美国“印第安纳波利斯”号巡洋舰在太平洋上高速航行9天后，于7月26日安全抵达马里亚纳群岛的提尼安岛。军舰上多了两个生人，是从加利福尼亚州马雷岛上船的，自称是炮兵军官。但他们制服上的炮兵专有的十字大炮衣领徽章歪七扭八，其中一个总是待在船舱里，连用餐也不出来。他们的货物很奇怪，分别放置在一个15英尺长的木箱和一个非常沉重的圆桶里，这些东西看上去不像是炮兵用的。麦克维伊船长虽然不知道这些货物究竟是什么东西，但他猜想一定很重要。因为这两个人曾告诉过他：“每天军舰向前行进多少，胜利就会向前推进多少。”
这两名“炮兵军官”抵达提尼安岛后，立即把装有重要货物的木箱和圆桶送到了一间活动房屋里。这所房子位于陆军航空部队的北边操场上，地方偏僻，房间里不但装着空调，屋外还有重兵把守。事实上，这两名冒充军官是普林斯顿大学的工程师和核专家，是奉格罗夫斯将军的命令前来执行任务的。
几天后，“曼哈顿工程”总军械师威廉·帕森斯上校打开木箱、圆桶和其他空运过来的神秘容器，组装成一个看似简单的装置，至此，第一枚用于军事行动的原子弹诞生了，工程师们把这颗铀弹命名为“小男孩”。
7月29日，美国战略空军司令斯帕茨从华盛顿飞到关岛，在他的公文包里放着一份由格罗夫斯将军签发的陆军作战计划密令：8月3日后，一旦气候许可，可以目击轰炸，即可投掷“特别炸弹”。
斯帕茨将军脱下飞行服，立刻召见蒂贝茨上校和帕森斯上校，下达作战命令。保罗·蒂贝茨1915年生于美国伊利诺伊州，参军后被选为509小组的上校飞行员。后来他在接受采访时说：“当我接到这项任务（原子弹轰炸）时，就知道这事容易触发人们的感情。我们这些人也有感情，但你得把这些情感置于一个大背景中。我知道那会造成很多人死亡，但为尽快结束杀戮，这（轰炸）是我能做到的最好的事。这个想法成为我的动力来源。”
蒂贝茨安排飞行员查尔斯·斯温尼上校驾驶“伟大艺师”号B-29轰炸机，上校乔尔杰·玛夸特驾驶“91”号负责航拍。蒂贝茨亲自驾驶运载原子弹的飞机，领航员是西奥多上校，还有投弹手托马斯·费雷比少校。
斯帕茨将军致电华盛顿：“据战俘报告，广岛是4座目标城市中唯一没有战俘营的。”次日华盛顿回电：“指定目标不作更改。但如果您确信情报可靠，则应优先考虑广岛。”
8月2日，蒂贝茨与费雷比飞往关岛。李梅将军直接告诉他们任务首选目标和备选目标。李梅指挥B-29轰炸机对日本领土轮番轰炸，熟知日本军事部署。他叼着雪茄，领着蒂贝茨和费雷比走到地图前，透过雪茄烟雾说：“保罗，首选目标，广岛。”李梅之所以选择广岛，是因为这里有众多兵工厂，工厂附近住着很多熟练工人，同时广岛也是日本第2陆军司令部所在地。重要的是，美军此前没有轰炸过广岛，这次用原子弹对这个城市来一下，可以比较精确地查验轰炸效果。小仓以前是一个军事工业中心和武器生产基地。至于长崎，是个港口城市。万一广岛上面阴云密布，蒂贝茨和投弹手看不到攻击目标，小仓和长崎将是候选目标。
8月5日，气象人员预测，第二天日本南部天空晴朗。用防水布盖着的“小男孩”被一个“大腰带”调到B-29机舱内，然后固定。
这架B-29机身上的名字闪闪夺目：Enola Gay。中国译为“埃诺拉盖伊”，是以蒂伯茨上校的母亲命名的。
8月6日凌晨1时37分，3架气象飞机首先出发，直奔日本。凌晨2时45分，蒂贝茨放开制动器，开动了“埃诺拉盖伊”号。“埃诺拉盖伊”号飞离提尼安岛15分钟后，以7000英尺巡航高度向前飞去。这时，帕森斯上校和他的助手莫里斯·基普森少尉通过走道爬进弹舱，开始装配炸弹。
清晨5时05分，这3架执行任务的飞机在硫磺岛上空编排成一个松散的V形体，向着西北方的日本本土飞去。
清晨6时左右，“埃诺拉盖伊”号的电子专家雅各布·贝瑟尔看到了正在扫描的日本雷达。他知道雷达停止搜寻时，就表明他们已被发现。现在他们正处在敌人的搜索中。贝瑟尔没有把消息告诉其他人，甚至没有告诉蒂贝茨，他并不想大家为此感到不安。半个小时后，基普森爬回弹舱，把三个绿色的插头从炸弹外盖上拔下来，然后插上三个红色插头。现在，“小男孩”不仅被装配好了，而且它已经准备好一触即发。
基普森向蒂贝茨汇报已完成的工作，蒂贝茨决定说出那个神秘的字眼“核”。他把开关切换到内话系统，说：“我们正在运送世界上第一颗原子弹，当这颗炸弹被扔下后，贝瑟尔中尉将会记录下我们的反应，这是为历史纪录，所以请注意你们的言行”。
7时09分，当克劳德·伊瑟利上校驾驶的气象飞机到达广岛上空时，空袭警报开始响起。7时24分，他发出了气象报告，建议轰炸首选目标。在距离气象飞机100英里以南的“埃诺拉盖伊”号上，蒂贝茨匆匆瞥了一眼伊瑟利发回来的气象报告，命令：“目标广岛。”
8时12分，领航员喊道：“辨识点。”他们已到达投掷炸弹辨识点。费雷比把头低下，盯在炸弹瞄准器上。稍后，费雷比报告城市已出现在炸弹瞄准器上。计时器显示此刻是8点14分45秒。这时，全体机组人员的耳机里都响起了信号声，一旦信号声消失，炸弹就会被立刻投掷下去。
信号声在8点15分17秒停止，费雷比大喊“投掷炸弹”，蒂贝茨立即把飞机操纵杆向右急转，做了个155度的俯冲，这可以避免飞机被卷入“小男孩”爆炸时产生的巨大漩涡中。
8时15分17秒，定时装置发挥效用，原子弹被自动投下。目标是广岛中央太田川上的T字型大桥——相生桥。同时飞机立刻改回手动操纵，来了个155度角的大转弯，往回飞去。实际上，原子弹在进行了43秒的平抛运动后，于相生桥东南方的医院岛病院上空600米处爆炸。
炸弹投下43秒后，距离飞机下方6英里处，第3个开关准时关闭，天空顿时出现一道强烈的白光，一团粉中带紫的烟雾和火焰翻卷而上，并且不停地在膨胀。闪光亮如白昼，照亮了飞机上的所有仪表盘，仿佛它们自己发出了光芒。原子弹爆炸引发的冲击波波及到了“艾诺拉盖伊”号，引起了强烈的震动。机组人员还以为是遭到了高射炮的袭击。
蒂伯茨说，“广岛原子弹没有形成蘑菇云。它形成的东西我们称为一条细绳。它往上冲，漆黑漆黑的，有光亮和颜色，里面有白光和灰色，顶部就像折起来的圣诞树。”另一名飞行员比作“燃烧黑色石油的锅”。
下午2时58分，“埃诺拉盖伊”号返回提尼安岛，斯帕茨将军和几千名将士都在等待他们归来。当蒂贝茨走出机舱时，将军走上前去，将十字勋章别在了他的飞行服上。此时，杜鲁门总统坐着“奥古斯塔”号巡洋舰正从波茨坦返回美国。他通过收音机知道了这个消息几天后，仅知的是：那天的广岛有几千名乘电车上班者，与电车“熔”在了一起。距离越远损失越小。“小男孩”里装有50公斤铀235。核裂变爆发的能量为50万亿焦耳，相当于15000吨TNT当量。能量通过冲击波、热线、放射线等方式爆发出来，分别占50%、35%、15%的比例。原子弹爆炸产生了巨大的蕈状云，蕈状云里含有大量核辐射尘。这些核辐射尘和云中的水汽混合在一起，形成了黑色的雨落在广岛一带。这种雨具有高放射性，因此污染了河流，当时因口渴不慎饮入这些雨水的难民，多数即在数日内死亡。
8月9日上午9时01分，第二颗原子弹投向了海港城市长崎，长崎上空随即腾起了巨大的蘑菇云。两颗原子弹让日本统治者没有选择，不到一周，日本宣布无条件投降。
日本官方没有公布广岛、长崎两地准确的平民和驻军人数及劳工、俘虏人数。加上爆炸后不久被美军占领，原子弹伤亡的人数至今没有准确统计。1956年，日美联合调查团根据1945年7月（长崎）和6月31日（广岛）市民口粮供应登记得出广岛市25.5万人、长崎市17.4万人，以这一数字作为爆炸时两市的总人数，调查统计结果为广岛爆炸当天死亡45000人，伤91000人，伤亡总数13.6万人，到1945年底伤员中又有19000人死去，死亡总数达64000人，伤亡和死亡总数分别占全市人口的36%和25%。长崎当天死亡22000人，伤64000人，到1945年底伤员中又有17000人死去，死亡总数达39000人，伤亡和死亡分别占全市人口的37%和22%。
