在極端困難的情況下，奧本海默沒有退縮，沒有抱怨，而是重新學習。他像12年前剛剛到加州大學伯克利分校授課講得一塌糊涂，旋即迅速改正一樣，很快扭轉了洛斯阿拉莫斯工作的被動局面。他編出了一份詳細的實驗室人員表，職責分明，按計劃要求完成進度，使組織領導重新納入正軌，完成了從一個純理論物理學家到巨型科技組織領導者的轉變。他以身作則，從早到晚投入工作，戒掉了自由散漫的毛病，以滿腔的熱情、精確的計劃、在行的評估去進行領導，學會了說服、鼓勵、規勸、協調。他不僅熟悉所有的科學家，而且叫得出工地上大多數工人的姓名和昵稱，了解他們的工作和需要，與他們同甘共苦，很快贏得了廣泛的信任和愛戴。有人說：“在工地上，只要有需要，幾乎所有的人都愿為奧本海默赴湯蹈火。”在科學討論會上更是充滿了熱情洋溢的氣氛。奧本海默長于啟發大家各抒己見，又善于抓住關鍵引導人們深入思考。只要有他在場的討論會，科學家都心情舒暢，滿載而歸。雖然他不是諾貝爾獎獲得者，卻贏得了絕大多數科學家的愛戴和贊譽。一些諾貝爾獎獲得者自愿接受他的領導，年青的科學家甚至把他當作學習的楷模。

然而仍有兩件事使這位洛斯阿拉莫斯的總指揮憂心忡忡，情緒壓抑。一是特勒給他帶來的煩惱。特勒與奧本海默曾同是美國理論物理學界兩顆耀眼的新星，一顆在西，一顆在東，遙相輝映。特勒來洛斯阿拉莫斯稍晚，他本以為會讓他從事氫彈的研究，沒想到來了以后不僅沒讓他搞氫彈，反讓他在貝特領導下的理論部里搞計算工作。他自認為是一流科學家，卻扮演著三流角色，受到了不公正的待遇，因此心懷不滿，處處把氣撒在奧本海默身上，在各種會議上與奧本海默作對。兩人之間原存的友誼經過幾次碰撞，蕩然無存，成了勢不兩立的對立面。二是奧本海默一直受到保安機關的糾纏。雖然他是國家最高軍事機密研究計劃的技術負責人，但長期以來一直是聯邦調查局的偵察對象。從1942年至1944年他的一系列言行，使曼哈頓工程的保安官員對他愈來愈不放心，要把他作為“蘇聯間諜”對待，進而打報告要“解聘他”。

奧本海默招攬了一大批他的學生赴洛斯阿拉莫斯，這些青年科學家年輕有為，思想活躍，富有創造力，是從事原子彈研制開發的中堅骨干。但是他們當中有不少人也同奧本海默早年一樣，曾與左翼有過接觸或聯系。他們有的在30年代甚至不滿美國現實，為了探索美國社會的前途而同情共產黨或參加共產黨。這就觸犯了保安人員的神經中樞。他們打報告給華盛頓稱：“在蘇聯竊取對美國生死攸關的最高國防機密的間諜活動中，奧本海默占有重要地位”，“他是極其狡猾的敵人與不忠誠的分子”。奧本海默為了完成科研工作，招聘人才卻招致了竊取國家機密情報的罪名，這是奧本海默做夢也未曾想到的。

一次偶然的機會，奧本海默在加州大學時的密友薛瓦利埃教授在廚房中和他談起，舊金山殼牌石油發展公司的英國工程師愛爾坦頓能把保密資料送往蘇聯領事館。兩人純屬閑聊，并無更深層的意思，事后雙方已忘得一干二凈。1943年8月底，奧本海默也可能出自愛國心，也可能為了擺脫保安機關的糾纏，主動向伯克利分校的保安官員談起了愛爾坦頓的事。保安官員追問來龍去脈時，奧本海默極力回避談事情的來源。保安機關緊追不舍，或采取嚴肅提審，或采取輕松的談話方式，千方百計要從奧本海默口中追出那個提供線索的中介人，都被奧本海默機智地擋了回去。12月12日，保安機關通過他的上司格羅夫斯將軍下令讓他交待，不得已他只好供出了薛瓦利埃。從此保安機關加緊了對他的全面監視和跟蹤：他的司機是情報人員，他的信件和電話受到全面的監聽和檢查……一般人很難想象奧本海默為了研制原子彈所背的精神十字架有多么沉重！由于鈾235提純的速度緩慢，總也積聚不到能制造原子彈的份量，因此有人想用钚239作為裂變材料，但又碰到技術上的“攔路虎”。钚239產生的本底中子較多，使用“槍法”速度嫌慢，形不成有效的爆炸，只有借助“內爆法”才能奏效，然而“內爆法”從理論到實踐還有很長的路要走。如果“內爆法”不能投入操作，那么到1945年7月只能制成唯一的一顆鈾235原子彈，無論從實戰或威懾的角度，都不可能實現迫使日本盡快投降的戰略目標。整個洛斯阿拉莫斯都為解決“內爆法”，制造第二顆原子彈而揪心。

這時，各路優秀科學家云集洛斯阿拉莫斯，為解決“內爆法”生產钚239原子彈獻計獻策。費米第一次推算出钚彈的臨界質量只需5公斤，大大低于人們原來的預計值，使钚彈的生產露出了第一道曙光。炸藥專家基斯泰科夫斯基負責內爆法的全面技術工作，這個組迅速擴展到了600人，幾種方法同時全速并進。青年科學家阿爾瓦雷斯完成了新穎的起爆裝置，達到百萬分之一秒內同時點火的指標。英國爆破專家塔克過去曾在穿甲彈的設計中采用透鏡式炸藥，使爆炸時不同速度產生的沖擊波按照光學原理，像透鏡聚光的現象而積聚在一起，形成強有力的爆炸效應。他將這個嶄新的技術引入原子彈的起爆，，解決了由于多點點火引起爆破波不均衡產生干擾，以致根本形不成球面波，出現非對稱性，嚴重影響起爆的問題，終于使钚239的芯塊能按計劃壓實到臨界質量，產生出最佳爆破效應。數學家馮·諾伊曼還利用剛出世的電子計算機，進行了浩繁的計算分析，把不對稱度爆破控制在5％以內，終于解決了制造原子彈的關鍵難題。

在這期間，奧本海默還要領導下屬解決檢驗、儀表制造、安全防護等技術以及7000余人的生活后勤問題；而每項技術問題的解決都是絕無僅有的開創性工作；儀器需要測量微秒級的時間間隔，檢測方法需要全新的構思和技巧，原子彈制造過程中钚的提純、裂變體的截面加工，保險的引信，放射物的防護……等等，環環相扣，任何一個環節出了紕漏，都將人命關天。科研工作的節奏，科研人員的協作，生產工序的調整，計劃的安排，千頭萬緒都要他縝密籌措，苦心規劃。

1945年3月，鑒于關于原子彈的主要物理研究都已接近完成，奧本海默宣布實施“三一計劃”（即原子彈試驗。以原子彈實驗場命名，取自約翰·唐恩十行詩，以紀念圣父、圣子、圣靈三位一體的圣體），7月4日進行原子彈爆炸試驗，8月1日完成裝配第一顆原子彈。

在這最后關頭、許多事情卻仍未盡如人意：“內爆法”全尺寸透鏡體棋子交貨因故延期，炸藥雷管性能達不到可靠性的指標，裂變材料供應跟不上進度，而7月中旬風雨交加的惡劣氣候，也不適合進行試驗。然而，杜魯門為了在7月15日美、英、蘇最高首腦會議上，以手中的原子彈作為砝碼，就戰后格局壓蘇聯就范，要求原子彈無論如何在7月14日前試驗成功。奧本海默夾在大自然和政治風暴中受盡煎熬。為了趕進度，他不時冒風險，在極度焦慮和興奮中度過了整個春季，體重整整掉了28磅。原來就很瘦弱的奧本海默，幾乎完全垮了。

7月16日早上5點半，一顆安裝在鐵塔上的試驗原子彈終于搶在暴風雨的間隙爆炸了。一團巨大的火球陡然升起，然后是蘑菇云，震耳的轟鳴，耀眼的光芒，濃煙迷霧，風暴怒吼，大地顫抖，真是天崩地裂，有如世界末日之來臨。所有在場的科學家的心靈都受到前所未有的巨大震撼！試驗成功了。

奧本海默在回憶當時的情景時寫道：“有幾個人笑了，有幾人個卻哭了，大多數人驚呆了，一聲不響。我心中浮上了古印度圣詩《勃哈加瓦基達》里，克里希那試圖說服王子執行他使命的一句詩：‘我是死神，世界的毀滅者！’”奧本海默在第二次世界大戰中成功地領導了世界上第一顆原子彈的研制工作。他不僅進行了具體的研究工作，更重要的是作為一項空前的科技工程領導者，他能排除一切干擾，艱難而頑強地向著既定目標挺進，充分展示出他的堅韌不拔的品質和高超的決策水平與組織才能。他利用世界一流科學家云集洛斯阿拉莫斯的有利條件，對他們提出的各種技術方案，進行正確評價和選擇。最具意義的是，他十分重視具有創造性的思想火花，并能迅速抓住它，及時推動它付諸實施。這就使奧本海默完成了從純物理學家到科技領導者的轉變。他尊重科學家，與工人們同甘共苦，以出色的工作和高尚的人格去贏得人們的信任和愛戴，推動了工作的順利開展；在關鍵時刻，大家甚至愿意為他“赴湯蹈火”。

由于奧本海默對原子彈研制工作的杰出貢獻，他在1945年后成為世界頭號新聞英雄人物，被譽為“原子彈之父”。1946年杜魯門總統授予他美國功勛獎章，表彰他“偉大的科學經驗和能力，他無窮無盡的精力，作為一個組織者和實行者的稀有才能，他的首創性和機智，以及他對責任的堅定不移的獻身……”戰后，他擔任美國原子能委員會總顧問委員會主席，為美國核武器的戰略決策發揮了重要作用，同時成為當時世界上最有權威的少數科學家之一。