20世紀初，德國物理學家愛因斯坦提出著名的相對論和質能轉換公式，為科學家們研製原子彈打開了理論通路。由於原子武器威力巨大，率先掌握原子武器的國家將因此取得戰略優勢，進而能確保在戰爭中獲勝。因此之故，歐美各國在第二次世界大戰期間展開了一場研製原子彈的國際競爭。美國因擁有巨大的人力、物力優勢和不受攻擊的研製基地，率先掌握了原子彈研製技術，並將原子彈投入實戰。而德、日等國則因種種原因，在這場競賽中遭到失敗。
20世紀初，著名物理學家愛因斯坦提出了著名的質能轉換公式E=MC2，這引起核物理學日新月異的飛躍發展。到30年代，核物理領域的質能轉換問題已開始由純理論性的公式換算問題進入核能技術應用的實踐階段。1938年12月，德國著名科學家奧托·哈恩和史特萊斯曼花費6年時間，經過反覆試驗，發現了鈾原子可以在中子轟擊下分裂成兩半併產生鏈式反應的秘密。次年1月，法國著名物理學家約里奧·居里也經過精心試驗，向法國科學院提交了同樣性質的研究報告。當年6月，德國威廉皇家化學研究院的西格弗裡德·弗呂格博士在《自然科學》雜誌上發表文章，直接了當地提出了在技術上利用核能問題。從1939年1月到6月，英、法、德、美各國物理學界共發表了50多篇關於核裂變研究的理論文章。這些研究導向一個共同的結論，物理學的新發展有可能導致原子武器的誕生。
當時，歐洲戰雲密佈，各大國為爭奪世界霸權，積極擴軍備戰，新式武器接踵推出。原子彈這種殺傷力極大的超級武器問世的可能性，自然引起各國科學界和戰略界的極大關注。誰率先掌握這種超級武器，誰就能迅速從根本上打破舊的力量平衡，掌握影響戰爭進程和結局的戰略主動權。於是，各主要國家為率先掌握原子武器，展開了一場國際性技術競賽。隨著第二次世界大戰的爆發和擴大，這場規模巨大的國際競賽，愈益瘋狂，引人注目。
在研製原子彈的國際競爭第一階段，德國處於領先地位。這首先由於德國擁有歐、美第一流的科學家和實驗室，提出核能換算公式的核物理學權威愛因斯坦就是德國人。德國的核技術應用研究也起步較早。當時有關核能研究的優秀論文，多數出自德國物理學界。1939年4月，德國陸軍兵工署收到物理學權威普·哈特克教授的正式報告，明確說明核物理學的新發展可以使人們生產出一種比普通炸藥威力大許多倍的新型爆炸物，率先掌握它的國家將擁有不可逾越的軍事優勢。不久，哈恩和史特萊斯曼也向軍方報告鈾裂變可以導致一種全新的能源應用於工業生產，也可以作為一種威力無比的爆炸物應用於軍事。
納粹軍方根據這些報告，召集核物理學權威們開會，制訂原子武器研究計劃，併成立了一批專門研究機構，如原子俱樂部、德國鈾協會等。這些機構都直屬德國國防軍軍械局武器部管轄。原來領導核研究的帝國研究委員會，也從教育部下轄機構中分離出來，改組為具有軍事性質的核能研究中央協調機構。許多最著名的核物理學家相繼被延攬入德國的原子武器研究計劃。如著名物理學家魏茨澤克主持柏林原子俱樂部的研究工作；哈特克主持研究重水生產和用離心法分離鈾同位素；諾貝爾獎獲得者佈雷格也領導一個負責分離同位素的實驗室；另一個諾貝爾獎獲得者，威廉物理研究院院長海森堡則負責全盤計劃和各方面協調。
為了完成原子武器研究計劃，德國千方百計擴大鈾的來源。德國軍方奪取了捷克斯洛伐克的天然瀝青鈾礦；又從比屬剛果接洽購買鈾酸銨；佔領比利時後，德國軍方還劫收了比利時貯存的1200噸鈾礦石。德國薩克森地區的鈾礦藏也得到加緊開採。在德國物理學家的指導下，德國金銀冶煉公司的法蘭克福工廠掌握了將鈾酸銨轉化為氧化鈾的複雜技術，每月能生產1噸鈾供核反應堆使用。從1940年到1945年，這家加工廠一共生產了130噸純鈾。1940年德軍佔領挪威後，又控制了挪威境內的世界最大重水工廠，得到了一種保證鏈式反應順利進行的減速劑。第二次世界大戰爆發不久，哈克特等人就以重水作減速劑，設計建造了第一座核反應堆。海森堡很樂觀地告訴德國軍方，從1941年開始，就展現了通向擁有原子武器的康莊大道。
但是，德國直到戰爭結束，也沒有能生產出可用於實戰的原子彈。這首先是因為納粹野心太大，在研究原子武器的同時，又投入大量人力、物力、財力研製火箭、噴氣式飛機、新式潛艇等先進武器系統。希特勒急功近利，懷疑原子彈不能很快試製成功，立即影響戰局，不肯將其研製計劃納入絕對優先地位，德國原子武器的研製經費和人力供應因而沒有被置於絕對優先地位。其次是納粹瘋狂排猶，使數以千計的猶太籍科學家逃離德國和歐洲，其中包括逃到美國的愛因斯坦和費米。第三個原因是德國物理學家走了彎路，他們沾沾自喜，認定德國核研究走在其他國家前列，因而固步自封。還有最後一個原因是德國的敵國擔心德國率先掌握原子彈，極力從外部予以破壞。設在挪威的德國原子研究用重水生產工廠多次被英國特工機關破壞。德國本土的原子研究試驗室和生產工廠不斷遭到英、美飛機猛烈轟炸，頻頻搬遷，不能正常生產。結果，曾經居於世界前列的德國原子武器研製活動，反而大大落伍。德國輸掉了這場原子競賽。
緊隨德國之後，日、蘇、英、加各國，也加入了研製原子武器的國際競賽。
20世紀30年代日本物理學界研究原子武器的理論權威有3個人：理化研究所的二階義男、大孤大學的菊池正四和荒勝文策。荒勝於1934年成功地完成人工轟擊原子試驗，使日本居於世界科研水平的前5名國家行列。日本軍方經首相東條英機認可，根據核物理學家們的建議，於1940年正式提出了研製原子武器的要求。二階義男的理化研究所成為日本研製原子彈的主要基地，而主要的試驗室設在東京帝國航空技術科研所大樓。1942年，一個潛伏在美國的西班牙間諜向日本軍方密報美國的原子彈研製秘密，又使日本的研製計劃得到新的推動力。
但是，日本要研究、製造原子彈，有兩個物質方面的主要障礙，一個是需要有充足的鈾礦供應來源，日本資源貧乏，國內沒有鈾礦藏。侵華日軍根據東京陸軍總部指示，協助日本地質學家在中國大陸四處調查，尋找鈾礦資源，收效不大。後來，日本政府與德國交涉，爭取到希特勒同意提供1噸氧化鈾，支持日本的原子彈研製計劃，但專門運送氧化鈾的德國潛艇航至馬來亞海面時，被美國海軍擊沉。日本的另一個困難是電力供應。研製原子彈需要耗費日本十分之一的發電量，這對工業實力有限的日本也顯然力不從心。
從1943年開始，美軍在太平洋發動對日反攻，沿太平洋各島嶼向日本本土逼進，戰局對日本日益不利。日本軍方愈益希望發明某種超級武器，出奇制勝。東條英機在1943年初曾親自指示有關部門，加緊研製原子彈，並保證優先供應資金、材料和勞動力。當年7月，日本物理學家根據東條指示，制訂了一個“二號研究”計劃，試驗用熱擴散法分離鈾同位素。
1945年8月，美國在日本廣島投下第一顆原子彈後的兩天，日本大本營召集荒勝文策等日本著名的原子彈研究權威開會，提出要在長野縣的深山密林中用花崗岩建立一個地下基地，集中全部專家和一切力量，在半年內研製出原子彈，報復美國。日本科學家們以物資供應短缺為由，否定了軍方的要求。由於缺乏鈾資源，工業實力和電力供應有限，日本的原子彈研製進程大大落後於歐美各國。
蘇聯的原子彈研製工程，雖然落後於德國，卻先於日本起步。30年代初期，蘇聯已建立了3個核研究中心，兩個在列寧格勒，一個在哈爾科夫。1940年，一個從德國逃到蘇聯的猶太物理學家向蘇聯情報機關密報了德國原子彈工程的進展。斯大林得此報告後，極為震驚，立即下令蘇聯科學家一定要在4年內製造出原子彈。
根據斯大林的命令，當時擔任蘇聯內務部長的貝利亞負責全面協調蘇聯核計劃，他挑選36歲的物理學家庫爾恰托夫負責技術問題。庫爾恰托夫不負重託，打破“肅反”時期的常規，走遍蘇聯各集中營，搜索被監禁、勞改的物理學家和化學家，集中在西伯利亞荒原中的實驗基地，並以這些從集中營找來的科學家為核心，在莫斯科成立了代號為“第二試驗室”的核研究中心。地質專家們在全國各地大力進行鈾礦資源調查，很快在中亞烏拉爾、阿爾泰、費爾干納地區找到豐富的鈾礦。8個巨大的鈾礦石加工廠在西伯利亞迅速投產，為蘇聯原子彈計劃提供源源不斷的濃縮鈾。中亞車里雅賓斯克的核研究中心最終發展成為擁有鈾礦、工廠、兵站、飛機場、地下掩體、特殊安全措施、城鎮和數萬居民、佔地數百平方公里的巨大企業聯合體。
1941年6月，蘇德戰爭爆發。不久，一個參與英國核計劃的蘇聯科學家帶回了英國核研究進展情況，說明一個很小的鈾彈可以徹底摧毀一個擁有幾百萬居民的大城市。美國的核研究活動也被蘇聯情報機關掌握。斯大林在1942年親自召集科學家們和內務部官員開會，指示要全力以赴，趕在英、美、德之前製成原子彈。
1943年9月，蘇聯在西伯利亞一個荒涼的湖心島，成功地引爆了世界上第一個試驗性核裝置。蘇聯科學家在生產迴旋加速器、研究鈈彈、用石墨作減速劑等方面取得重大進展。但蘇聯因蘇德戰爭初期失利，失去了西部大片國土，核試驗工廠和試驗室被迫東遷，引起混亂；同時因為戰爭的緊急需要，不能真正全力以赴，投入核研究工程必需的巨大人力和物力受到限制。所以直到1949年，蘇聯才試製成原子彈。
英國科學界在1938年即已開始了研製原子彈可行性的理論探索，並得到了肯定答案。在得知德國正在研究、製造原子彈以後，英國一方面設法切斷德國的重水和鈾等原子研究物資供應來源，同時加緊推進本國核彈研究計劃。1940年5月，丘吉爾出任首相，英國核彈研究計劃又獲得新動力。
英國牛津、劍橋等大學，擁有許多世界第一流的科學泰斗和實驗室。希特勒佔領歐洲後，許多歐洲科學家逃到英國，帶來了他們的早期研究成果，英國也有強大的工業基礎，足夠的能源，因而有可能儘快製成原子彈。1941年，英國成立艾克斯為首的秘密理事會，全面協調原子彈研究計劃，並以“合金管局”名稱，作為原子彈研製工程的秘密代號。由於經費、人員充足，實驗設備先進，英國建立了迴旋加速器，在核彈結構、鈾同位素分離等方面，都取得巨大進展。
1942年，英國已開始考慮建立大規模生產工廠問題。不過，希特勒德國雄踞歐洲，隨時可能入侵英倫三島，迫使英國用主要力量應付德國立即入侵的現實威脅。英倫三島也不是從事核彈研究的安全場所。不久，英國把自己的科研人員、實驗室和研究成果遷往美國，併入了美國的核彈工程。
加拿大雖然人口稀少，但資源豐富，有一些一流核物理學家，因而也開展了核彈研究工程。它的鈾礦發掘、開採和重水生產等成就，引人注目。但要獨立製造原子彈，加拿大在科研力量、工業實力兩方面仍嫌不足。它與英國也保持特殊聯繫。後來，加拿大和英國一起，把自己的核彈研究項目，併入了美國的核計劃。
美國的原子彈研究工程，主要是德國核彈研究計劃刺激起來的產物。1939年8月，從德國逃到美國的愛因斯坦等一大批歐洲科學家，給美國總統羅斯福寫了一短一長兩封信，長信用最通俗易懂的語言，詳細解釋物理學的新發現和鈾裂變原理，短信明確說明通過鈾裂變可以生產威力巨大的新型炸彈，以及德國掌握原子彈的可能性和後果，建議美國政府撥出巨大人力、物力，搶在德國之前製成原子彈。
羅斯福起初十分猶豫，其科學顧問薩克斯用拿破崙拒絕富爾頓發明的火輪新技術而輸掉戰爭為例，說服了羅斯福。經羅斯福批准，美國成立鈾委員會，負責協調核彈工程前期研究工作。費米、康普頓、奧本海默等歐、美第一流物理學家都被攬入工程計劃。不久，英、加核研究力量也併入美國，使美國原子彈研究項目因節省前期實驗時間而大大加快。
1942年6月，美國基本完成了核彈研製前期實驗階段。總統最高政策小組成員布希博士向羅斯福提交報告，說明製造原子彈的可行性，並建議儘快投入工廠生產。羅斯福批准了布希報告。兩個月後，美國正式開始原子彈的工廠生產階段，並規定代號為“曼哈頓工程”，由陸軍工程兵團的格羅夫斯准將全面負責。為儘快生產出原子彈，美國各大學、各有關實驗室和生產廠家等幾十萬人，在軍方統一協調下，加班加點，努力工作。生產原子彈必需的電力和各項物資供應一律列入最高的AAA供應等級，優先供應。國庫甚至破例借出鉅額白銀，供電磁分離廠作導線材料。
由於全力以赴，美國原子彈研製工程進展順利，兩座大型鈾分離工廠在田納西州諾克斯維爾的橡樹嶺建立起來，並投入生產。其中一座用氣體擴散法，一座用電磁同位素分離法，兩種方法同時進行，確保有足夠的核彈用高濃縮鈾。繼康普頓領導一個小組在依阿華州立大學試驗室分離出第一批高濃縮鈾不久，來自意大利的物理學家費米又在芝加哥大學成功地進行鏈式反應試驗。新的反應堆、迴旋加速器、組裝工廠成批建立，各種特殊部件接踵生產出來。1945年6月，原子彈基本研製成功。
1945年7月16日，美國製造的世界上第一顆原子彈被運到新墨西哥州阿拉默果爾核試驗場的巨大鋼塔上。鋼塔高30米，聳立在一片大沙漠中央，鋼塔周圍按一定規則置放許多試驗用坦克、卡車、戰艦、飛機及其他試驗用品，以檢測原子彈爆炸威力。當天5時29分45秒，隨著驚天動地一聲巨響，一團噴射耀眼白光的烈焰騰空而起，頃刻化為一個巨大的橙色火球，以每秒120米的速度升空。待到1200米高空，火球變成一朵巨大的蘑菇形煙雲。原子彈爆炸後，大地和岩石在熱浪和衝擊波作用下，變成了上下翻滾，劇烈顫動的褐色旋渦。雲霧消散後，爆炸點出現了一個深十幾米，縱橫400米的大坑。鋼塔整個被汽化，已無影無蹤。試驗用坦克、車輛、戰艦、飛機被高溫和強大的衝擊波扭曲、燒燬。儀器檢測的核彈爆炸威力達到1.4萬噸爆炸當量，爆心溫度達到100萬度。世界上第一顆原子彈由美國搶先製造出來。
1945年8月6日，美國空軍509大隊用B—29飛機，在日本廣島投擲了世界上第二顆原子彈，綽號“小男孩”。3天后，綽號“瘦子”的第三顆原子彈接踵投至日本長崎。原子彈被投入實戰。頃刻之間，這兩座日本城市化為灰燼，當場死難者超過10萬人。自此以後，蘇聯、法國、中國、印度、巴基斯坦等國相繼試爆核彈，成為核國家，人類進入核恐怖時代。
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