早在1910年在俄羅斯，幾位俄羅斯科學家就對放射性元素進行了獨立的研究。儘管俄國科學院在1917年和1922年面臨困難，但俄國科學家在20世紀30年代為蘇聯物理學研究的發展做出了卓越的努力。在1905年之前，礦物學家弗拉基米爾·伊萬諾維奇·維爾納茨基曾多次公開呼籲對俄羅斯的鈾礦進行調查，但都沒有得到理睬。

1939年，德國化學家奧托·哈恩報告了他的核裂變發現。核裂變是透過鈾與中子的裂變產生輕得多的元素鋇而實現的。這最終導致俄羅斯科學家及其美國同行意識到，這種反應可能具有軍事意義。這一發現令俄羅斯物理學家們興奮不已，他們開始對核裂變進行獨立調查，主要著眼於發電，因為許多人對近期製造原子彈的可能性持懷疑態度。

早期的努力是由雅科夫·弗倫克爾(一個專門研究凝聚態物質的物理學家)領導的，他在1940年首次對與裂變過程中結合能的運動學直接相關的連續介質力學進行了理論計算。格奧爾基·弗廖羅夫 和Lev Rusinov在熱反應方面的合作研究得出的結論是，每一次裂變釋放出3-1箇中子，而就在幾天前，弗雷德裡克·約里奧-居里（居里夫人的女婿）團隊也得出了類似的結論。

經過俄羅斯科學家的大力遊說，蘇聯政府最初成立了一個委員會來解決“鈾問題”，並調查連鎖反應和同位素分離的可能性。鈾問題委員會之所以沒有發揮作用，是因為德國對蘇聯的入侵最終限制了對研究的關注，因為俄羅斯在接下來的四年裡在東線陷入了一場血腥的衝突。蘇聯的原子武器計劃沒有什麼意義，而且大部分工作都沒有歸類，因為這些論文一直在學術期刊上公開發表。

1940–1942年蘇聯領導人約瑟夫·斯大林基本上不理會俄羅斯科學家掌握的原子知識，在第二次世界大戰東線期間，他讓大多數科學家在冶金和採礦行業工作，或在蘇聯武裝部隊技術部門任職。

1940 - 1942年，蘇聯空軍軍官、俄國物理學家格奧爾基·弗約洛夫注意到，儘管物理學在其他領域取得了進展，但德國、英國和美國的科學家已經停止發表有關核科學的論文。顯然，他們每個人都有活躍的秘密研究專案。蘇聯科學家把艾布拉姆·約夫的鐳研究所從列寧格勒轉移到喀山。在戰時研究計劃中，“鈾彈”計劃排在第三位，排在雷達和船舶反水雷保護之後。庫爾恰托夫從喀山搬到了摩爾曼斯克，為蘇聯海軍挖礦。

1942年4月，弗約洛夫給斯大林寫了兩封機密信，警告他發展核武器的後果：“結果將是如此重大，以至於沒有必要確定誰應該為我們國家忽視這項工作負責。”第二封由弗約洛夫和康斯坦丁·彼得扎克寫的信高度強調了“鈾彈”的重要性：“必須立即製造一枚鈾彈。

在讀到弗約洛夫的信件後，斯大林立即將蘇聯物理學家從各自的軍中召回，並授權工程物理學家阿納託利·彼得羅維奇·亞歷山德羅夫和核物理家伊格爾·瓦西裡耶維奇·庫爾恰托夫領導下的原子彈專案。

與此同時，弗約洛夫搬到了杜布納，在那裡他建立了核反應實驗室，專注於合成元素和熱反應。1942年末，蘇聯國防委員會正式將該計劃委託給蘇聯軍隊，主要的戰時後勤工作後來由內務人民委員會主席拉夫倫蒂·貝利亞負責。

1945年，雅可夫·澤爾多維奇和尤利·鮑裡索維奇·哈里頓與伊薩克·波梅蘭丘克一起，在莫斯科附近建立了Arzamas-16核電站，他們進行了核燃燒理論的計算。儘管早期和加速的努力，歷史學家報告說，在蘇聯學家看來，用武器級鈾製造核彈的努力似乎是無望的。

“蘇聯原子彈之父”庫爾恰托夫曾對研製鈾彈心存疑慮，但是在內務人民委員會(NKVD)提供了英國原子彈資料後，他在使用武器級鈽製造核彈方面取得了進展。

說到蘇聯核軍事間諜，真正對蘇聯研製核武器起決定作用的是一位天才的科學家，即原子彈間諜克勞斯。在西方，福克斯被認為是前蘇聯情報史上貢獻最大的間諜之一，由於他的幫助，蘇聯很快製造出了自己的原子彈，有力地遏制了美英扼殺蘇聯的陰險圖謀。

1940年，英國決定研製原子彈，為此成立了一個秘密委員會。才華橫溢的年輕科學家福克斯引起了委員會的極大興趣，他們很快就將福克斯挖了過去，這樣福克斯就開始了研製原子彈的工作。隨著幾項重要研究工作的出色完成，福克斯得到了極大信任，他開始擔任更秘密的工作，並有權接觸英國國家情報局的機密資料。

1943年12月，一個新的獲取更多核秘密的機會再次出現在福克斯面前，他作為英國科學家代表團成員前往美國參加美國研製原子彈的“曼哈頓計劃”。憑著科學家的特殊才能和天賦，福克斯得到了美英當局的特別重視和完全信任，很快他就進入洛斯阿拉莫斯市這個美國最秘密的原子能中心工作，並擔任解決最重要物理課題的負責人。然而，他們絕對想不到，正是他們這位最重要的科學家，將研究中心裡大量原子彈的絕密資料，包括原子彈的圖紙、重要資料、研究成功的鈾原子彈和鈽原子彈及其引爆裝置的資料、美國鈾-235及鈽的月產量等資料源源不斷地報送給了前蘇聯。

二戰以後，英國政府決定儘快製造出自己的原子彈，擺脫對美國的依賴。1949年，福克斯被任命為英國哈威爾原子能科研中心理論物理組組長，他為發展英國原子工業完成了許多重要科研任務。1947年他繼續向前蘇聯提供大量美英研製原子彈的絕密資料，包括溫德斯凱爾原子反應堆資料、有關建造能夠節省原材料的同位素分離工廠的計劃、氫彈原理示意圖和製造氫彈的理論資料等。福克斯把美國研製原子彈的有關情報不斷地報告給蘇聯，這對於蘇聯核武器的研製起了至關重要的作用。

“蘇聯原子彈之父”伊戈爾·庫爾恰托夫這樣評價道：“福克斯的情報使我們在許多方面進行了革命性的思考和重新計劃，使我們在極短的時間內解決了許多重要的問題。”對蘇聯情報部門來說，一個非常重要的任務就是了解美國核武器研製的進度。而這個任務被福克斯和其他間諜提供的情報成功地解決了。

1945年4月，蘇聯獲得了美國首座核反應堆(由美籍義大利裔物理學家恩里科·費米負責設計建造)的構造的重要情報。僅僅過了一年半，1946年12月25日，蘇聯自己建造的核反應堆“F–1”號即開始投入運轉。1945年6月初，福克斯向蘇聯情報機關提供了美國原子彈結構的詳細檔案資料。他還向蘇聯情報機關透露說，1945年7月美國將進行首次核武器試驗。這個重要訊息被迅速報告給蘇聯領導人斯大林。

正是由於掌握了製造原子彈的核心機密，蘇聯研製原子彈的步伐大大加快，1949年8月29日，蘇聯第一顆原子彈終於爆炸成功。這一試驗的成功，使美國認識到蘇聯有成功實施核報復的能力，從而被迫在最後關頭放棄了對蘇聯進行核打擊的計劃。

英國《明星日報》網站2018年1月8日發表亨利·霍洛韋的文章《美國絕密檔案披露“向蘇聯投放466枚核彈的計劃》稱，美國陸軍部長估計，要想從地圖上完全抹去蘇聯，需要466枚核彈。1945年9月15日給美軍少將萊斯利·格魯夫斯（Leslie Groves）的一份備忘錄秘密檔案顯示，核攻擊的目標是要摧毀敵人的抵抗意志和能力。格魯夫斯少將是當時秘密進行的曼哈頓計劃，既美國陸軍部研製原子彈計劃的負責人。解密檔案透露，二戰結束後不到2個星期，這些令人震驚的計劃就制定好了。可怕的是，這個計劃在檔案中被美國將軍稱為“巨大成功”。