奥本海默(J.Robert Oppenheimer)任命为科学主管，请他负责成立秘密实验室，主持原子弹的制造工作。奥本海默把实验室的地点定在新墨西哥州偏僻的小村洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)。他曾经感慨道：“我这辈子对物理学和新墨西哥州情有独钟，但可惜的是这两者一直都没有交集。”现在，他终于如愿以偿。与此同时，格罗夫斯主持了另外两座秘密设施的修建工作：其中一座占地44英亩，位于田纳西州的橡树岭，目的是为原子弹生产浓缩铀；而另一座则占地规模更为庞大，长度16英里、宽度12英里，位于华盛顿州汉福德镇(Hanford)，是世界上第一座全尺度(full-scale)钚生产堆的所在地。
“曼哈顿计划”的每一位参与者都很清楚，这是一场与时间比拼的赛跑。史汀生写道：
1938年，德国完成了人类历史上首次核裂变实验，而情报则指出，德国人一直都在进行相关的实验。情报部门认为，1941—1942年期间，德国人在原子弹研发领域仍然处于领先位置，所以我们必须后来居上，不能让德国成为第一个在战场上使用核武器的国家。此外，如果美国能够成为第一个研发出核武器的国家，那就相当于获得了一件全新的神兵利器，既可以缩短战争时间，又可以减小战争造成的破坏。
1943年8月，罗斯福和丘吉尔在出席第一次魁北克会议时达成一致，同意两国分享在原子弹研发领域取得的成果，还决定把原子弹的研发及生产设施全都集中到美国（即所谓的“合金管”备忘录）。1943年12月4日，《纽约时报》刊载的一篇文章加剧了英美两国领导人对德国有可能在核武器领域取得突破的担忧。文章引用纳粹高官的讲话，指出纳粹德国“准备采用一击致命的极端手段”以报复盟军的空袭。此外，那个纳粹高官还放下狠话，宣称“人类的科技突飞猛进，只用一件武器就可以炸毁半个地球的时刻已经指日可待”。实际上，德国的核武器制造计划（代号为“铀工程”）一直都缺乏有效的内部协作，还受制于铀矿短缺。到1945年德国即将战败时，计划的进展与目标仍然相去甚远。
相比之下，“曼哈顿计划”的进展十分顺利。到1945年春，用核试验来验证原子弹可行性的时刻已经近在眼前。史汀生写道：“链式裂变反应本质如此。要验证我们是否成功地制造出了原子弹，就必须进行全尺度的核试爆。尽管如此，我们还是很有把握，应该可以在仲夏季节成功引爆第一颗原子弹。”3月15日，史汀生在罗斯福去世前就“曼哈顿计划”的进展最后一次向他汇报。此前，吉米·伯恩斯向罗斯福递交备忘录，指出到目前为止已经耗费20亿美元巨资的曼哈顿工程“有可能搞砸”。史汀生能打消罗斯福的疑虑吗？答案是肯定的。他对罗斯福说，参与项目的科学家中有4位诺贝尔奖获得者，而他们都认为项目的成功就在眼前。
专注地听完上述汇报后，杜鲁门提出了新的问题，想知道原子弹最快要多久才能研制出来。“要不了几个月了。”史汀生答道。因此，为做好相应的准备，史汀生建议成立一个过渡委员会，以便总统咨询“这种即将研制成功的核武器所带来的各种相关问题”。杜鲁门表示同意。“我很感谢史汀生条理清晰地介绍令人惊叹的‘曼哈顿计划’，”杜鲁门回忆道，“在送他出门时，我感到，美国能有像他这样能力卓著、智慧超群的人来为国效力，实在是太幸运了。”