在第二次世界大戰之前的幾年中，德國處於原子能理論和實驗物理學的前沿。這一發現是在一系列連續的實驗之後得出的。1932年發現中子後的幾年裡，柏林的一個科學家小組記錄了大量的“超鈾元素”和傑出的U-239，這是一種發射β的鈾同位素，由U-238的共振捕獲形成。這些實驗帶來了核已經分裂的必要證據，在鈾產物中發現了鋇。

1939年1月6日，哈恩與弗裡茨·施特拉斯曼共同發表了他的研究結果。出生於奧地利的猶太裔物理學家莉絲·邁特納(Lise Meitner)於1938年逃離柏林，來到斯德哥爾摩工作。她在1939年1月16日提交給《自然》雜誌的一篇論文中首次對裂變過程進行了理論解釋。這項研究使德國在尋求核武器方面走在了美國和世界其他國家的前面。

戰爭開始時，德國在尋找一位科學家來幫助領導他們的核計劃，他們認為維爾納·海森堡將是他們創造原子彈的終極目標的寶貴財富。海森堡贏得了1932年的諾貝爾獎，諾貝爾委員會稱其為“量子力學的創造”。雖然他可能不是量子力學的唯一發明者，但他的不確定性原理是研究和理解量子力學的一個基本組成部分。海森堡被認為是20世紀最偉大的理論物理學家之一，與愛因斯坦和玻爾處於同一水平。

1939年9月，海森堡和其他德國科學家在軍事命令下成立了鈾聯盟，為戰爭研究核能。這個小組的目標是確定核武器在不久的將來是否有意義，以保證發展這項技術所需的可觀開支。1940年，c·f·馮·魏茨澤克(C. F. von Weizsacker)提出使用錼(93號元素)作為核爆炸材料，但一旦意識到這種元素不穩定，鈽(94號元素和錼的衰變產物)就被提出作為替代。與此同時，海森堡錯誤地計算出，U-235核武器所需的臨界質量約為幾噸，而不是實際值15-60公斤。即使有這樣的計算錯誤，1941年還是有人相信，如果戰爭再持續幾年，核武器就會被開發出來。

然而，1941年，德國在前幾年征服了法國、挪威和波蘭之後，剛剛入侵蘇聯。德國的核專案在其鼎盛時期，包括德國和奧地利12個城市的22個研究所。這是對人力和智力資源的重大消耗。因此，1941年12月，德國軍隊決定放棄核裂變專案，轉而專注於其他新技術的發展，主要是火箭和噴氣式飛機，這些技術會產生更直接的影響。

有可能是海森堡在計算反應所需鈾的臨界質量時的錯誤導致了撤回資助的決定。1942年2月的一份名為“Energiegewinnung ausuran”的總結報告涵蓋了自1939年以來核工作的所有方面，包括對一枚炸彈所需臨界質量的大致準確估計。不管怎樣，德國的核問題都有重大障礙，如果發展核武器，就必須克服這些障礙。

鑑於德國在1939年和1941年的領先地位，在考慮德國沒有開發原子彈的原因時，有三個主要問題突出。這些因素包括缺少核物理學家，工業對成功的要求以及對立即結果的渴望。在20世紀20年代和30年代初，德國是理論物理學的領先國家，但隨著納粹主義的崛起，大量的科學家，尤其是猶太人，使德國隊在盟軍面前處於非常不利的地位。對於留在德國的科學家來說，由於德國政府對純科學缺乏興趣，幾乎整整一代物理學家都迷失了方向在每個人的基礎上，盟軍團隊更有能力對付某些人，如馮·諾伊曼，這是德國團隊無法匹敵。戰後，海森堡告訴漢斯·貝特，核能是拯救德國物理學家以備戰爭結束時之用的一種方法。

除了缺乏大量的物理學家，德國是一個在戰區內工業產出有限的國家。人們認為，核裂變有兩種慢化劑，碳和重水，它們需要減緩裂變產生的中子的速度，從而產生連鎖反應。德國實驗物理學家沃爾特·博斯(Walter Bothe)和在美國工作的恩里科·費米(Enrico Fermi)進行了實驗，以驗證碳是否可以充當慢化劑。兩人都認為碳不會起作用，但費米認為碳最多隻能勉強發揮作用，和費米一起工作的利奧·西拉德，記得碳化硼通常被用來製造石墨。硼原子的吸收量是碳原子的10萬倍，這種雜質導致兩者都認為碳不是一個令人滿意的慢化劑。因此，德國認為重水是唯一有能力的慢化劑。因為唯一的重水生產裝置位於挪威很容易被盟軍瞄準並摧毀，德國隊沒有取得成功所需的工業支援。

在1940年4月9日德國入侵時，挪威已經開始生產重水。挪威的重水生產設施很快得到了保障(儘管一些重水已經被移除)，並得到了德國人的改進。盟軍和挪威人破壞了挪威的重水生產，並在1943年摧毀了重水儲備。

在財力和人力資源方面，德國鈾俱樂部更是無法與曼哈頓計劃匹敵。曼哈頓計劃消耗了大約20億美元(1945年)的政府資金，在其鼎盛時期僱傭了大約12萬人，主要是在建築和運營部門。曼哈頓計劃總共涉及約50萬人，幾乎佔美國全部民事勞動力的1%。相比之下，德國鈾俱樂部的預算僅為800萬德國馬克，相當於大約200萬美元(1945年)，少了1000倍。

隨著蘇聯入侵後戰爭的惡化，人們提倡在不久的將來實施技術，而不是長期技術。Bagge和Diebner指出，關鍵的錯誤是陸軍在1941年12月要求在9個月內生產出一種軍事產品。繼續資助的唯一辦法是讓科學家發表他們知道無法滿足的宣告。在這種情況下，專家們決定不推動國家加大支援核武器的工業努力。考慮到盟國的核專案擁有更好、更多的物理學家、軍隊的支援和美國的工業能力，他們先於德國研製出原子彈就不足為奇了。然而，必須指出的是，即使有所有這些優勢，美國也只是在1945年7月，即歐洲戰爭兩個月後才第一次成功地搞出了核武器。

1945年7月，“鈾俱樂部”的十名成員在英國一個叫Farm Hill的鄉間莊園舉行聚會。這個地方被竊聽了這樣盟軍就能瞭解德國離製造核武器有多近。在“小男孩”被投到廣島之前，科學家們完全相信他們在核武器的發展上走得最遠，但是核武器不可能在不久的將來製造出來。對於美國在廣島投擲原子彈一事，海森堡稱，“我對整件事一個字也不相信。”