Дальнейшему продвижению помешала война, многих сотрудников отправили в тыл, некоторые из них были призваны на военную службу.
Не минула такая участь многих сотрудников лаборатории Курчатова. В июле 1941 года Г.Н. Флёров попал в ленинградское ополчение, потом был направлен в военно-воздушную академию в Йошкар-Олу. В конце декабря 1941 г., он отпросился в Казань, куда были эвакуированы многие институты, для встречи с Курчатовым. Но Курчатов тогда ещё не вернулся с юга. Тогда Флёров выступил с докладом перед Иоффе, Капицей и другими физиками. В докладе он привел ряд аргументов в доказательство того, что для создания ядерного взрыва годятся легкий изотоп урана и протактиний. Детально разработал эффекты, которые могут помешать взрыву и, считая ядерный взрыв реальным, перечислил важнейшие направления исследований. В мае 1942г. Флёров пишет в Государственный совет обороны, что «надо, не теряя времени, делать урановую бомбу» и приводит свои аргументы. В это время советское правительство уже располагало информацией о том, что у Германии и США в условиях особой секретности ведутся срочные работы по созданию нового сверхмощного оружия. В Москву вызваны академики Иоффе, Вернадский, Хлопин и Капица для обсуждения полученной информации и определения перспективы развития соответствующих работ, в СССР. Кто из учёных мог бы возглавить научное руководство над работами? Из всех приглашенных никто атомного ядра не исследовал, но лучшие ядерные лаборатории СССР были в институте руководимом Иоффе. Когда обратились за советом к нему, он без колебаний назвал Курчатова.
Курчатов был немедленно вызван в Москву. А. Ф. Иоффе ясно понимал, что именно И. В. Курчатов, как наиболее компетентный в вопросах ядерной физики и хороший организатор, больше других подходит для этой роли. Через три дня, получив задание возглавить работы по созданию урановой бомбы.
В 1943 году Курчатов был назначен научным руководителем урановой проблемы, и получил задание начать работы в Москве. Место для работ, было выбрано за Окружной железной дорогой на краю необъятного картофельного поля, в километре от Москвы реки, там находилось трёхэтажное кирпичное здание. На Ходынском поле, начала строиться Лаборатория №2 или ЛИПАН (сокращение от лаборатории измерительных приборов Академии наук), сыгравшая огромную роль в решении атомной проблемы. Позднее она превратилась в Институт атомной энергии. В лабораторию № 2 были вызваны с фронтов и из эвакуации все необходимые специалисты. По существу, на атомный проект работала наука и промышленность всей страны. Вскоре число физиков, работающих с Курчатовым, достигает двух десятков. Однако не все верят в успех начатых работ. Президиум Академии наук разрешает расположить лаборатории в Пыжевском переулке в здании Сейсмологического института. Здесь организован штаб будущего института, обсуждаются главные задачи, проводятся семинары, где больше всех спорят Флёров, Зельдович, Померанчук, Харитон. В работу включается Козодаев. Вскоре Джелепов и Неменов принимаются за проект нового циклотрона и размещают на заводах Москвы заказы на изготовление его узлов. Но уже не хватает места. Курчатов занимает пустующие помещения в здании института общей неорганической химии на улице Большой Калужской. Была развернута большая работа, которая еще набирала обороты.
Одним из помощников в создании советской атомной бомбы была наша разведка. Она получала информацию от немца Клаус Фукс, который работал среди Лос-Аламовских ученых над созданием атомной бомбы. Он в течение 1945 -1947 годов четыре раза передавал сведения по практическим и теоретическим вопросам создания атомной и водородных бомб, чем ускорил их появление в СССР. Через 12 дней после сборки первой атомной бомбы в Лос-Аламосе мы получили ее описание из Вашингтона и Нью-Йорка. Первая телеграмма поступила в Центр 13 июня, вторая - 4 июля 1945 года. Детальный доклад Фукса ("Чарльз") был доставлен диппочтой после того, как он встретился 19 сентября со своим курьером Гарри Голдом. Доклад содержал тридцать три страницы текста с описанием конструкции атомной бомбы. Позднее было получено дополнительное сообщение по устройству атомной бомбы. Это значительно упростило задачу и ускорило завершение нашего атомного проекта. Во избежание утечки информации все полученные данные сообщались только одному И. В. Курчатову, который приезжал в Кремль и знакомился с ними только там. Другие участники атомного проекта не знали об этом. Это давало возможность избегать тупиковых путей, уже опробованных американскими учеными, и сразу вместо проведения многих лабораторных экспериментов организовывать промышленное производство, прежде всего расщепляющихся материалов (изотопа урана-235 и плутония — искусственного химического элемента) — «начинки» атомной бомбы. Ведь для их производства необходимо было создать целую новую отрасль промышленности — атомную. Нужно было построить целые комбинаты с ядерными реакторами, и целый ряд производств сверхчистых материалов, например графита для реакторов.
В середине 1945г. поступило сообщение о взрыве чудовищной силы на полигоне в Аламогордо США. Курчатов с товарищами встретили это сообщение со смешанным чувством досады, удовлетворения и настороженности. Досады – потому, что американцы сделали это раньше. Удовлетворения–потому, что возможность взрывной самоподдерживающейся ядерной реакции теперь доказана и усилия учёных приведут к заданной цели. Сообщение о том, что американцы взорвали атомное устройство, впечатления на И.В. Сталина не произвело. Сталин приказал Л.П. Берии продумать вопрос о создании собственного ядерного оружия. Л.П. Берия хотел монополизировать руководство этими работами и сосредоточить их в своем ведомстве. Однако, Сталин этот план не принял. По его настоянию 20 августа 1945 года был образован специальный комитет по атомной энергии под руководством Л. Берия. Его заместителем назначили наркома боеприпасов Б.Л. Ванникова. В комитет вошли видные ученые А.Ф. Иоффе, П.Л. Капица и И.В. Курчатов.
Схема атомной бомбы, в сущности, проста. Для осуществления цепной ядерной реакции деления радиоактивных материалов (изотопа урана-235 или искусственного химического элемента плутония), вызывающей взрыв атомной бомбы, нужно превзойти критическую массу этих материалов. Для этого нужно сблизить два или несколько «кусков» урана или плутония, имеющих массу меньше критической. При возникающей цепной реакции деления выделяется очень большая энергия, вызывающая атомный взрыв.
Но, как известно, «дьявол скрывается в подробностях». Во-первых, нужно накопить количество урана-235 или плутония, равное нескольким килограммам. Для их накопления пришлось создать мощные ядерные реакторы. Над проблемой уранового котла, работали сотрудники довоенной лаборатории Курчатова и другие физики старшего поколения, которые работали в разных институтах и городах. Не хватает кадров, некоторые работы Курчатов ведет сам. На первом этапе необходим металлический уран и чистейший графит в невиданных раньше количествах. Но точно указать, сколько их потребуется, Курчатов ещё не может, и он разрабатывает ясную, детально продуманную программу исследований. Несколько месяцев продолжается напряженная работа. 24 декабря 1946 года стало ясно, что цепная реакция пройдет, начали проводить испытания. В начале реакция нарастала медленно, время удвоения интенсивности её составляло десятки минут. Когда регулирующие стержни подняли выше, время удвоения сократилось до 120 секунд и счётчики «захлебнулись». Курчатов оценил мощность. После оценки мощности сказал: « Вот они, первые 100 ватт от цепной реакции деления!» Еще больше увеличить мощность реакции не хватило духу. Ночью Курчатов и его помощников опустили стержни, погасив первую в Европе цепную реакцию деления урана. Создание уранового котла, закончилось победой, и дало надежду на то, что атомное оружие будет создано.
В 1945 года были захвачены немецкие документы о высококачественных запасах урана в районе Бухово в Родопских горах, Болгария. Было создано советско-болгарское горное общество, которое занималось добычей урана. В 1946 году в СССР были открыты и сразу же стали разрабатываться крупные месторождения урана более высокого качества. Во-вторых, для осуществления атомного взрыва сблизить их нужно очень быстро. Для этого была придумана так называемая имплозия, то есть взрыв не наружу, а внутрь. Было еще, в-третьих, в-четвертых, и так далее.
Приближался завершающий этап. Горючего накоплено достаточно, свойства его атомных ядер изучены. Основываясь на расчётах физиков и математиков, конструкторы создали модели оружия. Но прежде чем произвести решающее испытание на полигоне, Курчатов привлёк лучших физиков-экспериментаторов к тщательной проверке того, как будет развиваться цепная реакция в созданной конструкции. Опыт шел за опытом с величайшими предосторожностями, что бы не выпустить реакцию из-под контроля, но в то же время что бы как можно ближе подойти к условиям, которые будут наблюдаться при взрыве. Сомнений больше нет! Всё сделано правильно. Курчатова тропят выполнить решающий эксперимент – произвести первый взрыв.
Наступил самый напряженный момент. Ответственность за испытания правительство возлагает на Курчатова. В период подготовки проведения взрыва ему подчиняются все участники испытаний: и воинские части и гражданские лица. Надо сделать всё, что бы взрыв получился ожидаемой большой мощности. Но есть небольшая вероятность, что он не удастся или будет меньшей силы. Если первое испытание сорвётся, все будут подавлены, нервы не выдержат напряжения, что бы хорошо подготовить второе испытание. Поэтому Курчатов торопит с изготовление второго экземпляра бомбы. Наступил самый напряженный момент.Окончательная сборка бомбы ведётся под неослабленным наблюдением Курчатова и Завенягина. В районе г. Семипалатинска был построен испытательный полигон. Ровно в 7.00 утра 29 августа 1949 года на этом полигоне в присутствии Верховного командования СА, руководителей Партии и Правительства, было подорвано первое советское ядерное устройство под кодовым названием "РДС-1".