從理論上講，人們在幾十年以前就知道原子分裂會釋放出巨大的能量，大大超過人類已經發明的任何爆炸物。20世紀30年代，德國和美國等國的專家開始提出明確的核裂變理論，並進行揭示原子祕密的試驗。
1939年初，歐洲上空開始籠罩戰爭的陰雲。在美國的一批專家(其中一些人剛剛從德國逃離出來)明顯注意到這一點：納粹德國開始研製原子彈。這種可能性是極其可怕的，因此這些專家以阿爾伯特·愛因斯坦爲首給總統羅斯福寫信，發出德國正在研製原子彈的危險警告。美國需要在覈武器研製方面打敗納粹，應該立即採取行動，同時提供巨大的資金支持。
1939年10月，即歐洲爆發戰爭一個月以後，美國總統羅斯福指示美國陸軍來研究這個問題。
在接下來的6年裏，美國陸軍負責實施“曼哈頓計劃”，研製原子彈。這是整個二戰期間最祕密的武器研製計劃。整個計劃規模龐大，不僅需要祕密實驗室、“重水”工廠和大量用於製造電子線圈的銀，還需要進行採礦，以獲得足夠的鈾。
1942年12月2日，由諾貝爾物理學獎獲得者恩里科·費米領導的一個研究小組在芝加哥大學廢棄的足球場看臺下的一個祕密實驗室裏，建造成功世界上第一座可自我維持運行的核反應堆。一年以後，美國新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的專家在著名物理學家羅伯特·奧本海默的領導下，開始研製以恩里科·費米的研究成果爲基礎的核武器。1945年7月16日，美國研製的人類第一顆原子彈在美國新墨西哥州的沙漠地區爆炸成功。
結束二戰
在1945年7月至8月初舉行的波茨坦會議上，美、英、蘇三國首腦一起討論戰後德國的處置等問題，美國總統杜魯門順便提到了第一顆原子彈的爆炸。據杜魯門說，他認爲對日本使用原子彈沒有任何問題。唯一的問題是投擲的時間和適當的目標。
由於受到體積和重量的限制，原子彈只能由B-29轟炸機攜帶;即使是B-29轟炸機，也必須經過特別改裝，機組人員也需要進行專門的訓練，才能使用這種新型武器。1944年夏天，一位戰績卓越的優秀飛行員保羅·蒂貝茨中校奉命率領其機組人員開始實施投擲原子彈計劃。在美國接受完訓練後，蒂貝茨和戰友們移師馬里亞納羣島的天寧島。在對日本進行了大量常規轟炸以後，美軍又使用綽號“南瓜”的大型常規炸彈對日本進行了多次轟炸，這種大型炸彈的體積、形狀和重量都與原子彈類似。
關於原子彈轟炸目標的選擇也存在多種因素。杜魯門總統和他的顧問決定攻擊純軍事目標，而不是爲了展示武力，例如轟炸日本東京附近的海岸。因爲原子彈數量有限，不能浪費在空地上。還有另一種擔心，原子彈實彈尚未測試，而第一顆原子彈的爆炸是在實驗條件下的大型固定設備上進行的，一旦原子彈沒有爆炸，那麼心理和宣傳上的風險都非常巨大。
這種擔憂並不是多餘的，甚至連參謀長聯席會議主席威廉·萊希將軍(他自稱自己是武器專家)也預測說可能會失敗。
另外，軍事策劃者和專家們希望選擇一個沒有被轟炸過的目標，這樣更容易確定原子彈爆炸的效果。戰爭部長亨利·史汀生將日本的京都從目標名單中刪除，因爲它是一個歷史文化名城。目標名單中排在首位的城市是廣島——日本第八大城市，一個大型海港，日本第二軍司令部所在地，而且是一個重要的軍事工業中心。
1945年7月底，美國總統杜魯門警告日本必須投降，否則將面臨可怕的後果。但是日本人置之不理。8月2日，蒂貝茨接到了向日本投擲原子彈的命令。8月6日凌晨兩點半，攜帶代號爲“小男孩”的原子彈的B-29轟炸機從天寧島起飛，目標是日本廣島。航程一路順利。早上8:15，原子彈在廣島上空爆炸，該市建築物全部倒塌，死傷總人數達20多萬。8月9日，美軍又出動B-29轟炸機將代號爲“胖子”的原子彈投到日本長崎市，同樣造成重大人員傷亡。8月15日，日本天皇正式宣佈日本無條件投降。
關於是否有必要使用核武器來迫使日本投降一直存在爭論，但任何時候這都不是一個重要問題。杜魯門總統對自己的決定從不後悔，要知道定於當年11月進攻日本本土的計劃可能會造成雙方數以百萬計的人員傷亡。杜魯門不希望付出這麼高的代價。戰後日本領導人承認，原子彈是打破他們抵抗意志的最後一根稻草。原子彈的巨大力量所產生的心理作用與物理作用一樣強大。從本質上說，所有人都認爲原子彈從根本上改變了戰爭方式。將會出現新戰略、新武器、新組織和新學說。
在比基尼島測試原子彈
1945年8月25日，美國參議院原子能委員會主席布萊恩·麥克馬洪議員建議，把繳獲的日本和德國的軍艦運送到海上，用原子彈轟炸它們，以證明核武器的威力。參謀長聯席會議表示同意。1946年1月，代理戰爭部長肯尼斯·羅亞爾和海軍部長詹姆斯·福雷斯塔爾向總統提交了一份備忘錄，強調“這些試驗是必要的，可以確定這種強大的新型武器的威力，以及武裝力量的規模、組成和部署，尤其是有助於分析未來戰爭的設計和戰術。”
杜魯門總統批准在太平洋的比基尼島進行這些試驗，試驗代號爲“十字路口”。
美國陸軍和海軍共同進行這些核試驗，因爲試驗的主要目標是美國的剩餘艦船和繳獲的敵人艦船。試驗計劃要求在這些艦船的上空進行一次空中爆炸——由一架B-29轟炸機投擲核炸彈，還要由海軍進行兩次水下爆炸(在試驗中只進行了一次水下爆炸，因爲第一次就已經很成功)。
美國海軍的威廉·布蘭迪中將是“十字路口”試驗的總指揮官，陸軍航空隊的威廉·凱普納少將是他的副手，羅傑·雷米准將率領陸軍航空隊的2200名官兵參加試驗。
第一次試驗代號爲“能力”，時間定於1946年7月1日。爲此，在新墨西哥州進行了幾個月的演練，在沙漠地區投擲“南瓜”訓練彈。精度仍然是一個關鍵問題。機組人員做好了充分準備，然後飛往馬紹爾羣島。他們在目標區域投擲了27顆訓練彈，以完善自己的技術。
7月1日，一架B-29轟炸機飛到了“內華達”號軍艦上空(這艘軍艦塗成了紅色，以便飛行員容易發現它)，機組投下了原子彈。按照預定計劃，炸彈應該在軍艦上空550英尺爆炸，並立即擊沉軍艦。炸彈在518英尺高空爆炸，但是卻偏離目標近半英里。雖然進行了幾個月的演練，在真正投彈前進行了兩次試投，炸彈仍然在天氣良好的情況下偏離了目標，而且差了這麼大的距離。
出了什麼問題?
人們開始對機組人員、轟炸機、轟炸瞄準器以及原子彈本身議論紛紛。負責研究與開發的空軍副參謀長柯蒂斯·李梅將軍命令立即對轟炸機和轟炸瞄準器進行檢查，但是沒有發現任何故障。機組人員的錯誤也被排除了，雖然有人認爲是飛行員的失誤造成的。戰略空軍司令部的官方歷史則將責任推給了無法預測的風。
一份事故報告得出結論說：“某種異乎尋常的力量影響了炸彈，使得炸彈以不可預測的和飄忽不定的方式偏離了航線，最終結果導致實際位置與理論位置有差距。”還有一種說法稱炸彈尾翼在炸彈離開飛機時受損，導致炸彈偏離航線。
美國陸軍航空隊則指責炸彈不正確的空氣動力設置，並以此爲依據要求增加核武器計劃的透明度。如果陸軍航空隊需要對戰爭中投擲的原子彈負責，那它就應該進一步瞭解原子彈的結構。研製和使用核武器的負責部門相互分隔，是產生問題的主要原因。
雖然原子彈偏差很大，但是試驗也讓軍方和決策者有機會見證新武器的威力。許多人清醒地發現了這一點。
負責審查“十字路口”試驗結果的官方委員會在報告中極其明確地指出了原子彈的重要性：“如果可以大量使用，原子彈不僅能夠使任何國家放棄軍事努力，還能夠摧毀它的社會和經濟結構，並使其在長時間內無法重建。”報告進一步指出，對原子彈無法防禦;因此，美國需要儲備足夠的核武器，以便壓倒任何潛在的敵人。
原子彈的威力使大多數資深外交家和軍官感到吃驚，也被公認爲歷史上的一個重要時刻。一架飛機所攜帶的一顆炸彈就能夠摧毀一座城市的大部分地區，殺死成千上萬的人，併產生巨大的心理影響。使用這樣一種相對較小的武器幾乎在一瞬間造成如此巨大的破壞動搖了軍事理論的基礎。
美國陸軍航空隊指揮官卡爾·斯帕茨將軍在1946年4月寫道：“戰略轟炸是戰爭歷史上第一種能夠摧毀強大工業化敵人的核心能力的工具。它能夠使敵人的核心軍事力量癱瘓。”
早期的原子彈大而笨重，只有大型飛機能夠攜帶。經過特別改裝的B-29轟炸機是當時世界上最大的飛機，也是原子彈的主要載體，而且B-29轟炸機屬於陸軍航空隊。這給了飛行員以自豪感和偏執。雖然他們擁有轟炸機，但是沒有自己的原子彈。曼哈頓工程區控制了原子彈的所有方面——研發、製造和組裝。1947年1月，曼哈頓工程區被撤銷，各功能部門被原子能委員會(AEC)接收。
朝鮮戰爭爆發以後，由於擔心與蘇聯和中國發生大規模衝突，美國對原子彈的監管權限最終轉移給了軍方，當時原子彈被部署到了關島。
到了20世紀50年代末，艾森豪威爾總統下令將90%以上的原子彈庫存轉交給軍方。這種情況一直持續下去。
