提起原子弹，人们首先想到的是质能关系式E=mc²和爱因斯坦。媒体和社会大众的普遍印象是原子弹是根据爱因斯坦的质能关系式制造出来的。E=mc²确实能解释原子弹的威力，但是它也能解释农村烧柴火做饭，内燃机使用汽油、柴油驱动汽车。质能关系式是普适公式，因此，它对于制造原子弹实际上并没有什么指导意义。
美国物理学家罗伯特·塞伯是曼哈顿工程负责理论的科学家，他给参加该工程的科学家讲解制造原子弹的物理基础的讲义于1965年解密，并已出版，书名为《洛萨拉莫斯启蒙：关于如何制造原子弹的第一批讲义》。对于制造原子弹起决定性意义的是二十世纪三十年代后期的几个实验，正是这几个科学实验的结果及其解释，把人类带入了原子弹时代。
随着放射性和镭元素的发现，人们认识到原子中蕴藏着巨大的能量。
1900年法国物理学家贝克勒尔用物质转变为能量来解释镭持续释放能量很高的射线而其质量却没有可测量的减少这一现象。他所用的质能转化关系与E=mc²在同一数量级。即使如此，人们却长期没有找到大规模开发利用原子能的有效办法。1932年英国物理学家考克饶夫和沃尔顿用质子轰击锂靶，一个锂核产生两个8百万电子伏特能量的a-粒子。
虽然在考克饶夫和沃尔顿实验中原子核分裂并产生大量能量，但是他们的老师卢瑟福认为不可能通过类似过程来利用核能。
匈牙利籍物理学家列奥·西拉德设想了核链式反应，其中中子可以激发产生能量的核反应，同时也产生新的中子再激发新的核反应，从而使能量产生过程自我维持下去。西拉德为中子激发的核链式反应登记了专利，但这只是一个设想，当时还没有发现可实现链式反应的核过程。
1932年英国物理学家查德威克通过一系列实验证明了中子的存在，并因此获得1935年诺贝尔物理奖。中子为实验物理学家提供了轰击原子核的理想工具，物理学家试图用中子轰击铀核来制作超铀元素。
第一个预告原子弹时代来临的科学发现是1938年德国化学家奥托·哈恩和弗里茨·斯特拉斯曼在中子轰击铀靶的样品中发现了元素钡的实验。哈恩和斯特拉斯曼在仔细鉴定核反应产物后，肯定其中之一非常可能是放射性钡。样品中发现了元素钡，说明中子轰击铀靶产生的不都是超铀元素，而可能是伊达·诺达克猜想的铀核分裂为较轻元素。
弗里施本来也在德国工作。希特勒1933年上台后，弗里施因担心受纳粹迫害离开德国到英国。在与姨母迈特纳完成对哈恩和斯特拉斯曼实验结果的解释后。弗里施回到实验室用实验证明他们的解释，中子轰击铀核导致铀核裂变成两个较轻的元素。弗里施实验用铀衬电离室壁，电离室连接到线性放大器，放大器的灵敏度调到只对>5x10⁵个离子对的事件有反应；以300毫克混有铍的镭做中子源，放在离铀衬里1厘米处。
迈特纳和弗里施解释哈恩和斯特拉斯曼实验结果的文章与弗里施的实验文章发表后，法国巴黎物理学家约里奥-居里的实验室也开始了这方面的研究。弗雷德里克·约里奥-居里是居里夫妇的长女伊雷娜·约里奥-居里的丈夫，两人因为对人工放射性的研究而获得1935年诺贝尔化学奖。德国出生的物理学家哈尔班1937年到约里奥-居里的实验室工作，哈尔班也是犹太人。
费米因用中子轰击靶元素产生放射性和超铀元素获得1938年诺贝尔物理奖。他到斯德哥尔摩领取诺贝尔奖后没有回国，而是与全家前往美国，于1939年1月2日到达纽约市。费米离开意大利的主要原因是意大利政府在1938年颁布了种族法，而费米的妻子是犹太人。
要想制造原子弹，二代中子必须在飞出铀材料之前撞击到能裂变的铀核，从而产生下一代中子。能维持链式反应的裂变材料最小质量为临界质量。不同裂变材料的临界质量不同，铀材料中有效的裂变同位素是铀-235。关于发现铀-235是裂变材料有一个普拉切克到美国与玻尔会合后的故事。
1939年夏天弗里施离开丹麦到英国短期访问，战争爆发使他滞留。1940年2月，弗里施和鲁道夫·派尔斯计算出用铀235维持链式反应的临界质量为1千克左右，从理论上证明原子弹的实用性。派尔斯是德国出生的犹太人，希特勒上台时，他正由洛克菲勒奖学金资助在剑桥大学学习，就留在英国工作。
1939年7月西拉德在与特勒和维格纳商讨后，决定劝说爱因斯坦与西拉德一起写信给罗斯福总统，提醒他最新科学发现使制造威力巨大的核武器成为可能，德国可能正在开展原子弹研究，建议美国开展核武器研究，敦促美国政府获取和储存铀矿石，并支持费米等人进行核链式反应的研究。
MAUD委员会在1941年7月最后形成了两份报告，一份关于核武器，认为制造原子弹是可能的，并且可以及时制造出来影响战争结果，主张与美国合作发展；另一份关于和平利用核能。1941年10月9日科学研究与发展办公室主任布什把MAUD委员会的最终报告送交罗斯福总统，罗斯福总统、华莱士副总统和布什开会讨论了发展原子弹问题。
1941年12月18日决定S-1分部的主要任务是发展铀为材料的炸弹。1942年1月罗斯福总统授权全力发展核武器，开始了以制造原子弹为目标的大规模研发工程。1942年6月17日罗斯福总统批准布什的建议，解散S-1分部，成立以柯南特为主席的S-1执行委员会，成员有布里格斯、阿瑟·康普顿、劳伦斯、尤里、化学家莫弗瑞。1942年8月13日美国陆军工程兵团设立了以研制原子弹为目标的曼哈顿工程。