核武器研发动手最早的是德国，1938年哈恩和弗里斯发现了核裂变现象,验证了爱因斯坦的著名的质能公式E=mc2。1939年德国物理学家朱斯给德国教育部写信希望德国官方能重视核裂变所放出的能量是一般化学反应的一百万倍以上的军事应用，德国教育部召开了秘密会议讨论了建立核反应堆的可能性，并敦促政府立即控制捷克斯洛伐克的沥青铀矿，与此同时,汉堡大学的物理学家哈特克也给战时办公室写信请他们注意核裂变现象。德国军方随即令爆炸专家迪伯纳组建了一个核研究办公室来加快了氧化铀的生产，

1939年9月德国军方正式启动了代号为“驱动火箭的新能源硏究”，物理学家维尔纳·海森堡和冯·维茨克加入，海森堡很早就指出，能产生核裂变的铀是铀的同位素铀235,而铀235在天然铀中的含量还不到百分之要制造这种“超级炸弹”,首先要把铀235从天然铀中分离出来,这在当的工业条件下是一件极为困难的事情,不仅工艺复杂,而且要消耗巨大的电能。用石墨和重水作为缓冲剂,使裂变时产生的中子减速,将对铀235的生产产生決定性的影响。核反应堆至少要有两吨氧化铀和半吨重水,才能实现自持式链式反应。德国在铀的同位素分离、核反应堆和原子弹的研究上,已经有了大致的前进方向,处于世界领先地位，但是德军统帅部认为,核计划不能立竿见影,于是大规模削减研究经费。不过,到了1942年初,军需部长斯皮尔，从前线召回几百名有关核研究的青年科学家,

1942年5月,海森堡的小组第四个实验性核反应堆(反应堆用了800千克铀粉和140千克重水)上,测得的中子强度比其他反应堆中子源的强度提高了3%。别看它只有区区的3%,也不是真正的自持式链式反应,但是找到了一种反应堆的结构,它产生的中子数比吸收的中子数要多，将这种反应堆放大,就能变成可利用原子能的铀反应堆”。这个实验性核反应堆比美国第一个自持式链式反应堆早了近7个月。不过,到了1942年底之后,德国的核研究再没有取得实质性的进展。直到1945年初,当德国军方再一次认识到原子弹的重要性时,并在斯图加特建成了一座以重水为减速机的大型反应堆。不久,这座大型反应堆和海森堡本人都成了盟军的战利品。德国的原子弾最终落后了，

日本早在太平洋战争爆发之前,空军参谋长安田武雄少将在得知核裂变具有极大的军事潜力后，对原子弹的研究发生了兴趣，在安田武雄的要求下他的老师嵯峨良吉递交了一份核武器书面报告，1941年5月,安田武雄责令日本物理化学研究所组织建造了两台用于核试验的回旋加速器,开始了核研究的实质性工作。头两年,他们主要致力于理论计算、比较区分铀同位素的方法和寻找铀矿石。组织建造了两台用于核试验的回旋加速器,开始了核研究的实质性工作。头两年,他们主要致力于理论计算、比较区分铀同位素的方法和寻找铀矿石。无奈找遍了全日本和日本占领下的各个矿点,始终不见铀的踪影。情急之下,日本只好向德国求助。1943年底,德国派出一艘潜艇将一吨铀矿运往日本。途径马六甲海峡时被美军击沉。由于铀元素的匮乏,“他们只能进行有限的铀同位素分离试验。到了1945年的春天在分离铀235的试验中取得了积极的成果，但要造出一枚原子弹,需要相当数量的铀和庞大的技术设备,日本没有铀,也没有电,什么也干不成，1945年4月13日,美国空军轰炸把航空技术研究所的49号楼被夷为平地,里面的实验室和铀分离设备也“灰飞烟灭”了。

英国在核物理学方面也不甘落后,英国有许多杰出的物理学家，1939年初铀核裂变的消息传到英国后,这批物理学家敏感地认识到新发现的巨大的军事价值。他们写了一份原子弹的可行性报告引起了英国政府的极大兴趣，英国政府成立了专门的核研究委员会，把在英国的所有核物理学家都吸收进来，到了1940年底,他们通过实验和理论计算得出结论,认为“自持式链式核反应所需的重水数量远远超出当时英国的生产能力。1941年7月,委员会起草了制造出一种威力相当于1800吨TNT的铀弹的重要性，由于当时正是英国战事最吃紧的时期,，在财力、物力存在着极大的限制。一时间,英国的核计划处于争论和停滞状态。

1942年底,美国在核研究和原子弹的研制上已经全面超过英国。吉尔和罗斯福于1943年8月签订了《魁北克协定》成立了一个联合核决策委员会，美英的核合作计划进一步加快。尽管怀疑英国人“有商业目的”,英国人怀疑美国人想“独吞研究成果”。英国把它的核计划融入到美国的核计划中。让尽可能多的英国科学家得到训练,全面掌握核技术,为英国储备人才”。苏联人在二战期间的对原子弹的研究,外界所知甚少。二战之前苏联物理学家核物理学家赫罗廖夫和佩特扎克就发现了铀原子核的自发裂变现象。德军入侵苏联之后,苏联核研究工作被迫停止。但到1943年初,有关原子弹的研究又逐步恢复。尽管在二战期间苏联并没能制造出原子弹。二战后不久,在1949年8月,苏联就成功地进行了原子弹试验,打破了美国的核垄断