美國和英國長期以來一直享有一種“特殊關係”的密切夥伴關係，因此兩國合作開發核武器似乎是很自然的。然而，美英核夥伴關係的故事是一個合作和分裂的故事。儘管英國科學家在曼哈頓計劃的成功中發揮了至關重要的作用，但對保密和安全的渴望直到1958年才阻止了永久性的核合作。因此，英國的原子彈計劃既是美國計劃的一個分支，又是一個獨立的專案。
在許多方面英國是原子想象和科學研究的發源地。歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)是一位出生於紐西蘭的英國物理學家，1908年諾貝爾化學獎得主，他的研究邁出了發展原子能的第一步。1917年，盧瑟福成為第一個分裂原子的人，引發了對中子存在和結構的進一步猜測。1932年，盧瑟福的同事、他以前的學生詹姆斯·查德威克發現了中子。盧瑟福的工作將影響其他核物理學家。他們中的許多人後來繼續為英國的原子彈計劃和曼哈頓計劃工作，包括查德威克、尼爾斯·玻爾和馬克·奧列芬特。
除了早期科學家的研究成果，早在原子彈被證明是可能的之前，英國的文學和政治修辭就已經在宣傳一種“超級武器”的猜測。英國作家h·g·威爾斯在1914年的小說《解放的世界》中把原子能描述為“一種能量的來源，這種能量如此強大，一個人可以在他的手中攜帶這種能量來照亮一座城市一年，和一支戰艦艦隊作戰，或者駕駛我們的巨型客輪穿越大西洋。雖然原子彈的虛構並沒有直接促進其發展，但在英國圍繞原子能的光環無疑激發了人們對核物理的興趣。
小說並不是英國產生原子想象力的唯一來源。在溫斯頓·丘吉爾成為首相的前幾年，他就對原子彈的想法著迷。溫斯頓·丘吉爾對原子彈的想法非常著迷。在1931年題為《五十年後》的演講中，丘吉爾斷言，“高層官員告訴我們，一定會發現比我們已知的任何力量都重要得多的新能源。”“核能比我們今天使用的分子能大得無可比擬……科學家們肯定存在這種巨大的能源。”不到十年後，奧托·哈恩和弗裡茨·施特拉斯曼發現了核裂變，開始了原子彈競賽。
第二次世界大戰的爆發是原子彈研製的催化劑。被希特勒提到的“秘密武器”嚇到了，英國政府開始更加認真地對待原子彈計劃。馬克·奧列芬特重組了伯明翰大學的研究，他將奧托·弗裡施和魯道夫·佩爾斯結合在一起。這兩位物理學家一起計算出實際上可以製造出原子彈，並將他們的發現寫在了一份備忘錄中，題為《關於‘超級炸彈’的構造》。
1940年5月，溫斯頓·丘吉爾成為英國首相。作為對《關於‘超級炸彈’的構造》的直接回應，他首先採取的行動之一是成立了一個鈾小組委員會，就如何推進鈾濃縮排程向他的政府提出建議。它最終被稱為莫德委員會，這個不引人注目的名字實際上指的是玻爾家族孩子的前監護人。當德國人入侵丹麥時，玻爾要求把他的安全訊息送到弗裡施和莫德·雷·肯特那裡。困惑的科學家們起初以為資訊中含有編碼指令。他們後來意識到，它實際上指的是一個人，名叫莫德·雷，住在肯特郡。
莫德委員會在絕對保密的情況下進行。他們不允許招募任何政府級的“非法移民”，包括弗裡施和佩爾斯。他們還排除了漢斯·哈爾班(Hans Halban)和盧·科沃斯基(Lew Kowarski)，他們是在法國陷落後來到英國的，當時他們帶來了全世界的重水供應。兩人將繼續進行獨立於莫德委員會的重要實驗，以證明連鎖反應是可能的。1941年莫德委員會的報告得出結論認為，可以製造一枚炸彈，並建議與美國合作。
在審查了這份報告後，英國科學和諮詢委員會判斷，該炸彈是高度優先考慮的。他們建議在英國建一個分離鈾-235的試驗工廠，然後在加拿大建一個完整規模的工廠。丘吉爾斷言：“雖然我個人對現有的炸藥很滿意，但我覺得我們不能阻礙改進的道路，因此我認為應該採取行動……”因此，他在科學和工業研究部門(DSID)內建立了負責所有原子資源的組織——管狀合金理事會。在戰爭期間，合金管將成為英國原子計劃的代號。
當美國組織了初步的研究和管理，英國的科學工作仍然遙遙領先。當羅斯福總統在1941年8月寫信給丘吉爾建議合作時，丘吉爾反應冷淡，更傾向於將更先進的管狀合金專案單獨進行。英國領導人也擔心安全問題。由於第二次世界大戰，英國已經有了保密限制，英國人認為尚未參戰的美國可能是一個不利因素。然而具有諷刺意味的是，這個時候，英國的專案已經被幾名蘇聯間諜滲透了，包括克勞斯·富克斯，唐納德麥 克萊恩和蓋伊·伯吉斯。
然而，到1942年，這兩個國家在科學進步方面完全改變了立場。由Tube Alloys主任Wallace Akers率領的科學考察團訪問了S-1委員會以及已經開始初步研究的大學。美國人建立起來的組織能力和科學資源給他們留下了深刻的印象。在另一次訪問中，Tube Alloys秘書長邁克爾·佩林指出，美國將“在核能的思想、研究和應用方面完全超越我們，到那時，他們將完全明白我們沒有理由插手。”
當英國人意識到他們的計劃進展緩慢時，哈爾班的劍橋小組於1942年夏天被調往加拿大。在粉筆河，這個小組將開發世界上最早的重水反應堆之一。大約在同一時間，丘吉爾同意英國和美國的專案應該合併，並在美國建立一個擴散廠，利用不同分子間在熱運動中具有不同的速度而分離出鈾235的富集（濃縮）的工廠。
儘管受到Vannevar Bush和James Conant等美國顧問的抵制，丘吉爾對羅斯福總統產生了深遠的影響，兩人最終同意合作。1943年8月19日，雙方在魁北克市簽署了《魁北克協議》，採納了丘吉爾“五點計劃”的大部分內容。為確保“全面有效的合作”，協議建立了一個由美國、英國和加拿大代表組成的聯合政策委員會(CPC)。它還為曼哈頓計劃提供了英國的鈾資源，在蒙特利爾建立了一個研究中心，並確保了英國科學家的參與。
許多著名的英國科學家很快被調到美國從事曼哈頓計劃的工作。這個由19名來自英國的科學家組成的團隊曾在洛斯阿拉莫斯工作，包括查德威克、佩爾斯、福克斯和威廉·彭尼。然而不贊成合作的主持曼哈頓計劃的萊斯利·格羅夫斯將軍(General Leslie Groves)卻讓英國科學家扮演了有限的角色，以限制他們獲得完整的資訊。
儘管有這樣的承諾，1945年羅斯福的去世標誌著戰時合作的結束。杜魯門總統選擇不遵守第二項協議，美國的核研究正式列入1946年的《原子能法》。
英國為原子彈的成功製造做出了貢獻，但在戰後他們面臨的現實是，他們被切斷了與原子彈的聯絡。1947年，英國首相剋萊門特·艾德禮(Clement Attlee)做出了獨立研製英國原子彈的決定。一個特別的內閣委員會迅速批准了“原子武器的研究和發展工作”。
亨格福德的波特爾勳爵負責監督這個專案，而英國的j·羅伯特·奧本海默(J. Robert Oppenheimer)威廉·彭尼(William Penney)是首席科學家。在與美國人共事期間，彭尼曾在洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)工作，目睹了長崎原子彈爆炸，並參與過十字路口行動(Operation Crossroads)。1947年5月，他被叫到白廳（英國政府中樞的所在地），波爾特勳爵告訴他，“我們要造原子彈了。”首相讓我來協調工作。他們希望你來領導它。”
儘管《原子能法》(Atomic Energy Act)將美國的原子機密列為機密，但曾參與曼哈頓計劃(Manhattan Project)的著名英國科學家帶著資訊回來了。然而格羅夫斯將軍限制英國參與的努力意味著，沒有英國科學家對曼哈頓計劃有一個完整的瞭解。因此彭尼首先採取的行動之一就是起草了一份名為“鈽武器——總體描述”的檔案，詳細列出了參與該專案的所有英國科學家的集體記錄。
在倫敦設立了被稱為“籠子”的行政辦公室，因為它們周圍是由實體酒吧組成的網路。在伍爾維奇和霍爾斯特德堡也建立了研究中心。這項研究主要分為三個領域：Penney自己負責軍備;由約翰·科克羅夫特領導的研究;以及克里斯托弗·辛頓(Christopher Hinton)領導下的工程學。工程部門本身就是一個巨大的責任，因為它包括建造核電廠以生產可用的鈽。
英國的核彈是基於美國鈽內爆炸彈的設計，使用的是Penney and 福克斯帶回的筆記。福克斯是一名蘇聯間諜，他將類似的資訊傳遞給了蘇聯的專案。鈽主要是從欣頓的反應堆生產的，不過也有一些是從加拿大的粉筆河核電站進口的。英國第一個鈽工廠是在坎伯蘭的塞拉菲爾德(Sellafield)建造的，後來更名為溫斯喬(Windscale)。1950年，它的第一座生產反應堆開始運轉，1952年開始生產可用的鈽。
儘管美國在1946年就已將其原子機密列為機密，但談判仍在繼續，以重啟合作。這些談判在1949年達到頂峰，當時蘇聯試驗了第一顆原子彈，使美國有了更大的緊迫感。雖然國防部宣稱，英國是一個平等的合作就必須“製造相當數量的原子武器”,美國正在考慮一項提議，會讓英國科學家在美國工作在有限的一段時間。人們希望英國科學家能夠在美國的專案中激發出新的想法，並且英國將繼續從剛果供應鈾。
然而，1950年和1951年的一系列間諜醜聞終結了雙方的任何合作機會。克勞斯·福克斯(Klaus Fuchs)、唐納德·麥克林(Donald Maclean)和蓋伊·伯吉斯(Guy Burgess)是蘇聯間諜的揭露，以及著名核科學家布魯諾·龐特科沃(Bruno Pontecorvo)的叛逃，在美國激起了歇斯底里的反蘇情緒。美國甚至拒絕了英國提出的在內華達州的試驗場測試第一顆原子彈的要求。
1951年重新擔任首相的溫斯頓·丘吉爾(Winston Churchill)透過談判，決定將澳大利亞的蒙特貝羅島(Monte Bello)作為一個試驗場。1952年10月3日，在“颶風行動”期間，英國成功地測試了第一顆原子彈。它在HMS Plym的船體內被引爆，汽化了這艘船。
測試後不久，丘吉爾給彭尼、科克羅夫特和辛頓發了一封電報，感謝他們“付出的努力和他們展示的傑出的工程技術”。彭尼不久也被封為爵士。英國的原子彈將於1953年部署用於軍事行動。
在試驗了他們的第一枚原子武器後，英國期望與美國恢復合作。然而，不到一個月後，美國測試了它的第一顆氫彈，再次使其處於技術優勢，並沒有任何願望分享其核秘密。1954年，丘吉爾下令英國開始發展熱核武器，1957年11月8日，英國成功地測試了第一顆氫彈。
此時蘇聯也擁有了氫彈，甚至在1957年10月發射了世界上第一顆人造衛星Sputnik 1號，超越了美國的技術能力。在沒有明顯軍事優勢的情況下，美國最終於1958年透過修訂1946年的《原子能法》，同意與英國分享核資訊。同年，雙方還簽署了《美英共同防禦協議》，允許在核研究以及核材料和裝置轉讓方面進行合作。