Тем не менее в 1939-1940 годах атомная тема в СССР активно разрабатывалась. Ученики Н. Семенова Юлий Харитон и Яков Зельдович опубликовали три фундаментальных работы, ставших классикой теоретической физики. В них определены условия протекания ядерной цепной реакции, описана роль замедлителя нейтронов и дан достаточно точный расчет критической массы. Харьковскими физиками был запатентован первый в истории проект взрывного атомного устройства. Идея его базировалась на разделении частей критической массы взрывающимися перегородками. Впоследствии, правда, этот принцип был вполне обоснованно раскритикован и отвергнут, но сам факт весьма показателен. Тогда же в журнале "Огонек" была напечатана научно-популярная статья о принципах действия атомной бомбы. На эту тему читались лекции и доклады. Четыре научных института работали по атомной тематике, прошли пять международных ядерных конференций, вошедших в анналы мировой науки. Среди прочих работала и лаборатория И. Курчатова.
Однако Государственная комиссия по военно-промышленным исследованиям отклонила предложения молодых физиков-ядерщиков Института физико-технических исследований в Харькове и немецкого ученого эмигранта Ф. Ланге начать разработку сверхмощного взрывного устройства. Предложение было направлено в отдел изобретений Наркомата обороны, где его сочли преждевременным и "зарубили". В руководящих инстанциях имелось расхожее мнение, что атомная бомба может существовать только в теории. Ученик Н. Семенова академик Владимир Фортов впоследствии писал: "Если бы те деньги, которые мы угрохали перед войной на развитие конницы, были бы вложены в создание ядерного оружия, то СССР получил бы бомбу в 1941 году. Ни о какой войне и речи бы не было".
С началом войны все исследования в ядерной области были немедленно прекращены. Ученых частью призвали в действующую армию, частью переориентировали на другие, как тогда казалось, более насущные темы. Рядовой запаса первой категории призыва Игорь Курчатов на фронт, однако, не попал, а занимался проблемой размагничивания боевых кораблей на Черном море. Проблему эту Курчатов и его соратники решили, опираясь на исследования академика Александрова. По периметру корабля располагались специальные обмотки, по которым пропускался электрический ток, создавая магнитное поле, компенсирующее собственное магнитное поле корпуса судна. И корабли перестали подрываться на немецких морских минах с магнитными взрывателями, реагирующими на железную массу.
В отличие от Советского Союза в Германии к созданию атомной бомбы проявили очень большой интерес. Уже в апреле 1939 года на секретном совещании ведущих физиков-атомщиков было создано "Урановое общество" при управлении армейских вооружений, которое возглавил профессор Э. Шуман. В это общество вошли почти все известные ученые, работавшие по атомной проблематике. Центром исследований стал Берлинский физический институт, ректором которого назначили профессора Вернера Гейзенберга. К научным разработками были подключены физико-химические институты Гамбургского, Лейпцигского, Грейфсвальдского, Гейдельбергского и Ростокского унивеситетов. Весной 1940 года в оккупированной Бельгии гитлеровцы захватили 1200 тонн уранового концентрата, доставленного в свое время из Бельгийского Конго. Это составляло половину всего мирового запаса урана. Другую половину в том же году тайно вывезли из Конго в США. В декабре 1940 года под руководством Гейзенберга была закончена постройка первого опытного реактора, а фирма "Ауэргезельшафт" освоила производство металлического урана. В том же году из Советского Союза был выслан в Германию известный немецкий ученый Ф. Хоутерманс, занимавшийся ядерной физикой в Харькове. На родине он сразу был арестован гестапо как сочувствующий коммунистам, но вскоре освобожден и включился в научную работу. Хоутерманс поручил своему доверенному лицу физику Ф. Райхе, вскоре бежавшему из Германии, проинформировать мировое сообщество о том, что в Германии разрабатывается атомное оружие. После этого сообщения Англия и США резко усилили свою деятельность в этом направлении.
Но секретное "чудо-оружие" гитлеровцам создать не удалось. Еще на начальном этапе исследований германские физики пришли к ошибочному мнению, что графит не годится в качестве замедлителя нейтронов в атомном реакторе. Они сделали ставку на использование тяжелой воды, которая в самой Германии не производилась. Но французы успели вывезти свои запасы из Парижа в Лондон, а единственное в мире норвежское предприятие по производству тяжелой воды взорвали британские диверсанты. Свою роль сыграла и ненормальная конкуренция между разными группами физиков. Имеющегося в Германии урана вполне хватало для запуска реактора, но оказалось невозможно собрать его в одной лаборатории. По этой причине получить цепную реакцию немцам не удалось. Кроме того, некомпетентное руководство Германии не поняло перспектив атомной энергетики. А главное, Германия не могла в разгар войны направить значительную часть ресурсов на исследования и создание атомной промышленности. Финансировались только те разработки вооружений, которые могли дать результат в течение нескольких недель. Разведка союзников была поражена, когда выяснилось, что в течение войны немецкие физики в практическом плане почти не продвинулись вперед.
В марте 1942 года, Берия направил Сталину всю информацию на атомную тему, поступившую из США, Англии, Скандинавии и оккупированного Харькова, где вновь заработал украинский физический институт, одним из руководителей которого оказался... Ф. Хоутерманс. Берия предложил возобновить исследования в области ядерной энергии. Сталин с решением не торопился и пожелал, чтобы несколько авторитетных ученых независимо друг от друга дали заключение по этому вопросу.
В мае 1942 года до Сталина дошло письмо молодого ученого, будущего академика Флёрова, в котором тот сообщал об отсутствии в зарубежной научной прессе с 1940 года материалов по урановым проблемам. По его мнению, это свидетельствовало о начале работ по созданию атомного оружия в Германии, США и других странах. Он предупреждал, что немцы могут первыми создать атомную бомбу.
В октябре того же года приглашенные на Кунцевскую дачу Вернадский и Иоффе объяснили вождю, что такое атомная бомба. Сталин так был заворожен её мощным разрушительным потенциалом, что присвоил плану контрнаступления под Сталинградом кодовое название - операция "Уран". Но только в феврале 1943 года, когда ему сообщили, что британские спецслужбы тайно от союзников совершили диверсию на заводе тяжелой воды в Веморке (Норвегия), он поверил что в других странах атомным оружием занимаются вполне серьезно. До этого Сталин сомневался в реальности его создания.
В конце января 1943 года советской разведкой была получена агентурная информация, что в Чикаго Энрико Ферми осуществил первую цепную ядерную реакцию. В это же время по линии внешней разведки из Англии поступили закрытые научные труды западных ученых по атомной энергии за 1940-42 годы. Они подтвердили, что в создании атомной бомбы достигнут большой прогресс. Имелись даже протоколы заседаний английского военного кабинета, на которых обсуждались перспективы использования атомной энергии для создания сверхмощного оружия.
То, что не могли объяснить "вождю народов" академики, растолковала советская разведка. Недоверие Сталина было преодолено, 11 февраля 1943 года он подписал постановление об организации работ по использованию атомной энергии в военных целях. Возглавил это направление В. Молотов. Берия был назначен его заместителем. Атомная проблема стала приоритетной в деятельности разведки НКВД.
И. Курчатов стал руководить специально созданной Лабораторией измерительных приборов Академии наук, сокращенно - ЛИПАН. Для посвященных она носила более простое название - Лаборатория №2. И. Курчатову тогда едва исполнилось сорок лет. В научном мире принято соблюдать определенную иерархию, и это назначение стало смелым решением. Но в США атомный проект возглавлял 44-летний Оппенгеймер, в подчинении у которого находились Нобелевские лауреаты Н. Бор и Э. Ферми. По прямому указанию Сталина в декабре 1943 года И. Курчатова избрали действительным членом Академии наук, и это в какой-то степени успокоило советских физиков старшего поколения.