Pada tahun 1926, mahasiswa doktoral berusia 22 tahun, J. Robert Oppenheimer, bergumul dengan kecemasan dan rasa rindu rumah saat mempelajari fisika kuantum eksperimental di bawah bimbingan Patrick Blackett di Universitas Cambridge, Inggris. Oppenheimer berselisih dengan Blackett, bahkan memberinya apel beracun, meskipun kemudian ia mengambil kembali apel tersebut. Ilmuwan tamu Niels Bohr menyarankan Oppenheimer untuk mempelajari fisika teoretis di Universitas Göttingen, Jerman.

Oppenheimer menyelesaikan gelar PhD-nya dan bertemu dengan ilmuwan Isidor Isaac Rabi. Mereka kemudian bertemu dengan fisikawan teoretis Werner Heisenberg di Swiss. Berkeinginan untuk mengembangkan penelitian fisika kuantum di Amerika Serikat, Oppenheimer mengajar di Universitas California, Berkeley, dan California Institute of Technology. Ia menikah dengan Katherine "Kitty" Puening, seorang ahli biologi dan mantan komunis, dan memiliki hubungan asmara sementara dengan Jean Tatlock, seorang psikiater komunis bermasalah yang kematiannya tampak seperti bunuh diri.

Ketika fisi nuklir ditemukan pada tahun 1938, setelah Jerman berhasil membelah atom, Oppenheimer menyadari bahwa hal itu bisa dijadikan senjata. Pada tahun 1942, selama Perang Dunia II, Kolonel Angkatan Darat AS Leslie Groves, direktur Proyek Manhattan, merekrut Oppenheimer sebagai direktur Laboratorium Los Alamos untuk mengembangkan bom atom. Oppenheimer khawatir program penelitian nuklir Jerman, yang dipimpin oleh Heisenberg, mungkin akan menghasilkan bom fisi bagi Nazi lebih cepat. Oppenheimer membentuk tim yang terdiri dari Rabi, Hans Bethe, dan Edward Teller, serta bekerja sama dengan ilmuwan Enrico Fermi, Leo Szilard, dan David L. Hill di Universitas Chicago. Perhitungan Teller menunjukkan bahwa ledakan atom bisa menghancurkan dunia; setelah berkonsultasi dengan Albert Einstein dan meminta Bethe melakukan perhitungan sendiri, Oppenheimer menyimpulkan kemungkinan itu "hampir nol". Teller berupaya meninggalkan proyek setelah proposalnya untuk membuat bom hidrogen ditolak, tetapi Oppenheimer meyakinkannya untuk tetap tinggal.