吳健雄到達美國加州舊金山，原本計劃一週後就繼續東行，到密執安大學去入學，不料這一停留，竟使她改變計劃安排，在加州大學伯克利分校留了下來。
伯克利分校當時聚集了一批年輕而又具頂尖水準的物理學家，如發明和建造迴旋加速器的勞倫斯，還有後來被稱爲“原子彈之父”的理論物理學家奧本海默。吳健雄在伯克利的表現是出類拔萃的，她的勤奮與聰慧讓人刮目相看。1940年吳健雄順利通過博士論文答辯。先後任教於美國史密斯學院、普林斯頓大學。
1942年6月，一個被稱爲“曼哈頓”的原子彈製造計劃正式開始。這個在美國開始並改變人類歷史的科學計劃，集合了當時同盟國許多第一流的科學家。在這些投身計劃的科學精英中，也有一位傑出的中國物理學家，那就是吳健雄。1944年3月開始，吳健雄進入哥倫比亞大學任資深科學家，並且獲特殊的保密許可，以一個外國人的身份，參加當時美國最高機密的、製造原子彈的“曼哈頓計劃”。
一個初到美國不過幾年，不具備美國國籍的中國人，憑什麼得到特殊的保密許可，參加如此機密的一個國防科學計劃的核心工作？
原來，吳健雄在原子核物理研究上，一開始便有極其重要的成就。
吳健雄曾經獨立地在鈾原子核分裂產物碘中，觀察並且確定出兩種放射性惰性氣體氙的半衰期、放射數量和同位素數量。吳健雄的工作使得由東岸回來的西格里大爲激賞，認爲她已經是可以獨立做出一流工作的實驗物理學家。
奧本海默對於吳健雄在覈分裂方面的深刻認識，也十分清楚，每次開會討論核分裂及原子彈相關問題時，他總是會說：“去叫吳小姐來參加，她知道所有關於中子吸收截面的知識。”
吳健雄的加入，她關於鈾原子核分裂後產生的氙氣對中子吸收橫截面的研究成果，對於“曼哈頓計劃”的順利進展，產生了相當大的推動作用。
1945年7月16日，在新墨西哥州的一個沙漠中，人類第一顆原子彈試爆成功。它驚人的威力，使人目盲的閃光和巨大的蘑菇狀雲層，象徵一個新時代的降臨。三個星期後，投在日本廣島和長崎的兩顆原子彈，終於促成了二次世界大戰的結束。
有人認爲，吳健雄對“曼哈頓計劃”的貢獻，對中國有着難以估量的重大貢獻。因爲，日本的提早投降，使得中國戰場上少犧牲了不計其數的中國人。
