芝加哥鏈式反應實驗室命名為“冶金實驗室”，不過里面一個冶金專家也沒有。從紐約搬到芝加哥后，反應堆的高度增加了，但卻仍然沒有達到預期的效果，費米認為，石墨這種多孔物質中有很多空氣，而空氣中的氮起著吸收中子的作用，如果能在反應堆周圍造成真空，也許能增進反應堆的性能。受食品罐頭的啟發，費米讓芝加哥倫比亞大學學的鐵匠制造了一個巨大的鐵罐，抽出里面的空氣，但中子逸失的現象還是很嚴重。有人建議用甲烷代替空氣，但甲烷存在爆炸的危險，而費米的實驗室已經發生過兩次危險的爆炸事故了，他最后否決了這個主意，決定建造一個更大的反應堆。
康普頓為這個反應堆找到的最理想的地方是芝加哥倫比亞大學學體育場西看臺底下的一個室內網球場，這間屋子寬9米，長18米，高近8米，自從美國參戰以后就被廢棄了。物理學家們希望有更大的地方，但是其它幾處更適于安裝反應堆的地方都被芝加哥日益增多的軍隊部門征用了。
在新反應堆等待石墨和鈾的同時，費米的助手安德森去固特異輪胎橡膠公司定制了一個正方形的氣球，固特異公司的人用驚異的目光瞪著這個纖瘦的年輕人，因為他們還從來不曾聽說過有正方形的氣球。安德森把精確的規格要求講了出來之后，固特異的人勉強答應用膠化織物制作一個正方形氣球，不過固特異公司“不能擔保這玩意兒飛得起來”。
費米并不需要讓它飛起來。兩個月后，這個巨大的氣球運到了芝加哥倫比亞大學學，費米小組七手八腳把它搬到室內網球場，用腳手架和升降機將它固定在室內，只留下一個供人員出入的扇形吊門，隨后開始在里面組裝核反應堆。從已經完成的無數試驗中，費米對于這個反應堆到底應該是個什么樣子已經有了一定的概念：它是一個直徑7.9米的圓球，用一個正方形的木架支撐。外面罩著那個正方形氣球。氣球的作用是在必要的時候抽成真空，不過費米小組后來一直沒有這么做。自愿來幫忙的中學生在室內網球場和附近的木工棚之間川流不息，搬來做好的木塊。然后帶走下一塊木頭支架的圖紙。當物理學家們開始擺弄聯合碳化物公司送來的純石墨磚時，樣樣東西都變成了黑的：首先是網球場的墻壁和那個氣球，接著是地面，石墨粉末鋪滿了地板。光滑得好像舞廳的地板一樣，漆黑的人影在上面滑行著，他們的工作套衣和防護鏡也是漆黑一片。氣球里面，一堵高大的石墨黑墻正在迅速地增長，墻上還插著7根鎘棒和3根硼鋼棒。以控制中子增殖的數目。
隨著反應堆的增高，費米進行了各種測試，那個石墨球的最上面幾層始終沒有加上去，因為反應堆達到臨界大小的時間比預料的來得要快，從安放第一層石墨磚起僅僅過了6個星期，就到了12月2日凌晨。當時給反應堆做掃尾工作的是安德森，如果當時他抽出鎘棒的話，那么他就會開動核反應堆。從而成為美國實現人工自持鏈式反應的第一個人。不過他決定把這個榮譽讓給費米。
天亮之后，費米、康普頓及其助手們云集在網球場里，耐心地等待著最后一刻。在場的人中有一位是“冶金實驗室”以外的人物：杜邦財團的克勞福德格林沃爾特先生，他后來成為杜邦的董事長，而在歷史性的那一天清晨，他恰好和杜邦公司的其他人在附近的一個房間里同軍方的高級官員舉行會談。康普頓把他拉出來領到了現場。
格林沃爾特和杜邦公司的人當時正處于一種為難的境地：他們不知道怎樣才能和軍方達成協議。美方在1942年8月就接管了“鈾計劃”，并將其命名為“曼哈頓工程”。9月。美國陸軍工兵上校格羅夫斯被任命為“鈾計劃”或“曼哈頓工程”的負責人。該工程包含著比核研究更多的東西，包括生產石墨和鈾。還有鈾同位素的分離，以及一種新元素——钚的生產。杜邦公司被告知在鈾的裂變過程中會產生钚，而钚或許適合于制造原子彈，于是格林沃爾特及其同事就被軍方請到加州大學伯克利分校參觀已完成的钚研究工作，然后飛往芝加哥與軍方談判制造用于生產钚的核反應堆事宜。格林沃爾特對是否接受這一合同猶豫不決，畢竟這是一筆價值十多億美元的大合同，而且他的公司也愿意幫助打贏戰爭，可是……這是在說反應堆和钚啊！鬼知道這是些什么東西！
康普頓覺察出格林沃爾特的猶豫不決，于是決定打破常規，把他拉到網球場，讓他親眼目睹反應堆的第一次運轉。康普頓認為格林沃爾特的歲數較小，“可以在更長的歲月中親身向后人講述這一不平凡的時刻”。他們登上了網球場北端的看臺，除了3個呆在反應堆上的人之外，費米和他的助手們也在那里。這3個年輕人被稱為“自殺隊”，其任務是一旦鏈式反應失控就將一桶桶的鎘溶液澆到反應堆里。此外還有一個叫喬治韋爾的年輕物理學家站在地面上一根鎘棒的旁邊。其他的鎘棒和硼棒都早已抽出來，現在整個鏈式反應就被這根鎘棒制止著。
演出開始了。韋爾將鎘棒抽出來一點，它還有13英尺留在反應堆里，蓋革計數器開始“咔噠咔噠”地響起來，描筆移升了一點，在卷紙上繪出一道直線。費米給出更多的指令，韋爾每次把棒往外多抽一點，描筆就升到費米預先算定的那一點上，這個點就代表了K系數的大小。格林沃爾特緊張地喘著粗氣，費米則鎮定地微笑著，因為他預先進行了嚴格周密的計算，即使那根鎘棒一下子完全抽出來，他也可以保證反應堆可以從容自在地按預定速率開始反應，根據計算結果，反應堆發生爆炸是絕對不可能的。而且也不會失控到放射出致命劑量放射線的地步。然而網球場里的人都是在和一種未知的東西打交道，所以小心謹慎還是至關重要的。
這樣就到了午飯時分，雖然沒有一個人做出饑餓的表示。費米還是宣布“我們去吃午飯吧！”午飯過后，大家又各就各位，這時格林沃爾特已經非常激動了。到下午3點20分，費米對韋爾說：“把它再往外抽1英尺。”隨后轉向看臺上焦急的人群。補充說：“這次就成了。現在反應堆將開始鏈式反應。”K系數描筆上升到了1.00，然后是1.01、1.02、1.03……1.09、1.10，“自殺隊”的3個人繃緊了肌肉等待費米發出指令。這群人注視著各種記錄儀達28分鐘之久，K系數穩定在1.09和1.10之間，反應堆的行為正如人們所料的那樣。
尤金魏格納拿出了一瓶藏在身后的意大利基安蒂葡萄酒。向費米敬酒。所有在場的人都喝了酒，用的是紙杯子，悄然無聲，沒有祝酒。隨后大家都在酒瓶的紙標上簽了名，然后四下走散了。格林沃爾特趕回和軍方會談的那間屋子里，一口氣宣布說：“是的，按照軍方的要求著手建造反應堆，這對杜邦公司來說是完全應該的。”反應堆是了不起的東西。走得像一只瑞士手表那樣精確。而且只要有費米和他的小組那樣能干的科學家，杜邦公司就不是在冒無謂的風險。康普頓則趕回辦公室，給科學研究與發展總署成員、哈佛大學校長康南特通了長途電話。報告了這一好消息。
“鈾顧問委員會”成員包括美國國家標準局、陸軍和海軍的代表，該委員會時常與物理學家和化學家開會討論原子能和原子武器的發展問題。根據討論中提出的意見，該委員會向陸軍和海軍申請適當的款項以購買研究材料。在風聞德國威廉皇帝物理研究院已經承擔了關于鈾的龐大研究計劃后，又成立了“國防研究委員會”。由OSRD署長布什兼任該委員會主席，鈾顧問委員會成為該會下屬的一個分支機構。國防研究委員會通過與一些大學和學院訂立合同的辦法進行工作。最初使用陸海軍劃撥的經費，后來則從國會撥款委員會得到了專門的預算。后來由于“鈾計劃”已經變得極為重要。布什決定讓鈾顧問委員會脫離NDRC的管轄，直接劃歸OSRD管理。布什同羅斯福商討了軍用原子能的問題，在擴充計劃、調整組織、獲得特別經費及與英國交換情報方面得到了羅斯福的批準，隨后創立了一個原子彈計劃的最高政策小組，成員包括總統本人、副總統華萊士、陸軍部長史汀生、參謀總長馬歇爾和康南特博士。
由于美國所有在實驗室進行的研究工作都是利用鈾235來實現可控鏈式反應。鈾235是一種稀有的同位素，在天然鈾中的含量只有0.7。在費米的核反應堆中，就是靠這0.7的鈾235實現了核裂變，如果能夠從天然鈾中進行提純，去掉較重的鈾238，則裂變的幾率將大為增強。根據費米的估算，要實現核爆炸，可能需要幾公斤到幾十公斤純度90以上的鈾235，但是在此之前人類從未獲得過哪怕是超微量的純鈾235，要生產出以“公斤”計的這東西來不啻是天方夜譚。
然而還存在另外一條捷徑：用高能中子轟擊鈾238后可以獲得同位素鈾239，后者的半衰期約為23分鐘，隨后嬗變成新元素93，镎是一種不穩定的超鈾元素，在2到3天內衰變為钚。1940年3月，以西博格博士為首的研究小組在加州大學伯克利分校用60英寸回旋加速器加速的氘核轟擊鈾238，獲得了钚239。對這種物質的分析表明它的臨界質量比鈾小得多，在同樣為球體時大約是后者的15左右，而且純度只需要10到15，所以可以用在自然界儲量較高的鈾238來制造新的核裂變材料。
美國卷入第二次世界大戰后，終止了關于原子能動力方面的研究，集中人力物力加快制造原子彈的步伐。在最高決策小組會議上，布什建議將當時仍處于分散研究狀態的核物理學家和工程師集中到某一地區以提高效率、加強保密工作。他推薦陸軍工程兵團統管該地區的建設工作。此后不久，康南特博士又審核了布什的報告，提出了建設生產工廠的問題。當時有6種方法生產裂變物質：用離心法、氣體擴散法、液體熱擴散法和電磁法來分離鈾235。用鈾238加石墨或重水反應堆來生產钚239。
1942年6月17日，布什送給羅斯福一份原子彈計劃現狀的報告，他在報告中指出。制造用于戰爭的核武器在技術上是可以實現的，并詳細說明了生產這種武器的方法，在報告的最后，布什建議“及時把它制造出來以影響當前戰爭的結局。”羅斯福批準了該報告。次日美國陸軍后勤部參謀長斯泰爾少將指定工兵上校馬歇爾主管建設一個工程區，來“執行陸軍在原子能發展方面的職責”。從這一天開始，“曼哈頓工程”正式啟動。當然，此時該工程還不叫這個名字，而是叫“代用材料發展實驗室”。直到該年8月，項目負責人之一格羅夫斯上校擔心這個名字會引起人們的好奇，建議以馬歇爾上校的辦公室所在地曼哈頓命名，于是“曼哈頓工程區”就這樣誕生了。
經過一系列協商，美國財政部同意提供價值3億多美元的4.7萬噸銀幣和3.9萬噸銀錠，條件是在戰爭結束后6個月之內歸還同等數目的白銀。這些銀幣和銀錠從西點銀庫中提出來，在嚴密的保護下運到美國金屬精煉公司鑄造為短銀條，道奇銅制品公司把這些銀條做成導流帶、磁鐵線圈以及類似的各種部件。最后交給阿利斯查爾默斯公司制造電磁鐵。
在工廠投產的最初幾個月里。格羅夫斯等人發現了一系列技術問題：磁鐵鐵芯的銀帶纏繞得過密，再加上用于冷卻的循環油中混進了鐵屑，造成了線圈短路；老鼠跑進了真空操作箱；鳥兒、暴風、雷擊使得電線短路……最后格羅夫斯不得不加強保衛及廢物回收措施，防止怠工者進行破壞，同時規定每4周清理一次α車間，每兩周清理一次β車間。
氣體擴散工廠的開工時間比電磁分離工廠晚得多。因為S1委員會將其優先度排在了電磁分離廠和钚工廠之后。該工廠的核心是幾千個分級過濾設備，每套設備里都有用金屬濾膜制成的管子。由于涉及到許多當時最先進的化工技術，所以美國最大的化工公司之一聯合碳化物公司被指定為生產濾膜及級聯過濾設備的主要承包商。擴散泵則由阿利斯－查爾默斯公司生產。由于需要多種頻率的電源，更重要的是擔心供電線路遭到破壞，K25工廠沒有使用田納西河流域管理局提供的電力，而是單獨建立了一座火力發電廠。為了確保安全，在幾百英里的管道中一個氣孔都不能有，而且這些管道在投產前都經過了外科手術級的清潔工作，格羅夫斯為此又建立了專門的焊接和清洗車間……這樣，在投產之前，K25工廠已經花了2億美元。
工廠還建設了液體熱擴散車間，作為氣體擴散的輔助生產手段。海軍隨后資助了這一試驗，并在費城海軍船廠建了一個實驗工廠。建立一整套熱擴散生產設備的話，大約需要20到30億美元，但是該工藝可以作為取得低濃縮鈾的第一步工序，這樣就省錢得多。1944年夏天，代號S50的液體熱擴散工廠在K25工廠旁邊開工，前者利用后者的蒸汽，后者利用前者的粗制產品進一步提煉濃縮鈾。這樣，橡樹嶺就能為曼哈頓工程提供足夠的鈾，用于制造原子彈。
“依照當前已掌握的工藝，钚生產是可以實現的，其成功的或然率為99，炸彈的成功或然率為90……在時間上，假設能夠得到連續不斷的全方位支持，1944年將會交出第一顆原子彈，1945年將達到每個月制造1顆的生產率……”阿瑟康普頓在給羅斯福的報告中這樣寫道。(。。)
