O filme narra os acontecimentos em torno do desenvolvimento do ultra-secreto Projeto Manhattan, criado para agilizar a produção de duas grandes bombas atômicas, a Fat Man e a Little Boy, que seriam usadas contra a Alemanha na Segunda Guerra Mundial, em cerca de dezenove meses. A liderança da construção ficou a cargo do engenheiro responsável pela construção do Pentágono, Leslie Groves (Paul Newman), ao lado do físico J.
