1942年，蘇聯駐外情報部門從英國和美國收集了大量關於鈾問題的文件資料。這些情報資料都是以翔實的學術報告、複雜的數學計算和學術專著的副本形式發回莫斯科的。由於無人能看懂，這些材料被放在蘇聯內務人民委員部的保險箱裏藏了一年多，無人讀過。
根據現有的檔案文件和回憶錄來看，1942年5—6月斯大林收到了原子彈問題的簡要報告。斯大林看後定奪說：“應當搞這件事。”
1942年秋天，一些物理學家被召到莫斯科參加諮詢會議。他們接受的任務是：就恢復對原子彈的研究和出於軍事目的使用原子彈必須展開哪些具體工作起草一個報告。一批較年輕的原子彈專家在秋天被召到莫斯科，他們是弗廖羅夫、庫爾恰托夫、基科因、阿里汗諾夫和哈里頓。
1943年3月10日，斯大林簽署了蘇聯國防委員會關於任命庫爾恰托夫擔任蘇聯原子能利用工作委員會學術領導人的決定。庫爾恰托夫需要對237份學術情報資料做出鑑定結論，這些資料主要與鈾石墨反應堆的結構以及不僅使用鈾而且使用鈈製造原子彈的可能性相關。庫爾恰托夫不僅做出了鑑定分析，而且開列了一份“希望從國外得到的情報資料”清單，並請求按照這份清單“給情報部門下達任務指示”。1943年4月12日，根據蘇聯科學院的決定，庫爾恰托夫被任命爲新成立的祕密的原子能科學研究所所長，出於保密的考慮給這個研究所取了個代號叫做“2號實驗室”。
儘管蘇聯情報部門繼續向蘇聯物理學家們提供大量的情報資料，但是蘇聯在這方面的工作起色不大，原因很簡單——蘇聯國內沒有鈾。
盟軍在歐洲登陸之後，2號實驗室組建的“繳獲”鈾小分隊比美國成立的特別行動小組晚了一些。但是在柏林，他們找到了德國的里爾教授，他是德國生產純金屬鈾的主要專家，他自願幫助自己的蘇聯同行們。里爾將蘇聯科學家們帶到了奧拉寧堡，德國生產用於反應堆的純鈾的主要工廠就在這裏。
他們在德國的另一座城市又成功地找到了鈾原料和鈾氧化物倉庫，在那裏他們發現了大約100噸的鈾氧化物，接着他們在德國的另一個小城鎮又找到了12噸鈾。1945年7月里爾以及隨他一道來到莫斯科的幾名德國工程師開始把莫斯科州諾金斯克的“電爐鋼”工廠改裝成鈾工廠。1945年底，這裏已經開始把鈾氧化物提煉加工成純金屬鈾。第一批澆鑄的金屬鈾於1946年1月開始進入庫爾恰托夫的2號實驗室，並用於裝配鈾石墨試驗反應堆。
美國的第一顆原子彈於1945年7月16日，即波茨坦會議開幕的那一天在美國新墨西哥州的沙漠裏試爆成功。7月24日杜魯門在波茨坦會議當日會議結束之後裝作漫不經心的樣子向斯大林介紹說，美國研製了一種殺傷力很強的武器，可是他絕口不提“原子彈”這幾個字。出乎他的預料，斯大林似乎對杜魯門說的這一消息絲毫不感興趣，以至於丘吉爾私下對杜魯門說：蘇聯領導人根本“不理解”這一消息的“重大意義”。而事實上，恰恰是因爲斯大林早在三天之前，就已經通過蘇聯情報部門獲悉了美國原子彈試爆成功的消息了。
1945年8月20日斯大林簽署了國防委員會第9887號決議，國防委員會成立了一個新的機構“特別委員會”全面領導原子能利用方面的一切工作，之後成立了一個執行機構——蘇聯人民委員會第一總局。大批的科研、設計、規劃、建築和工業企業及機構從其他部委轉歸第一總局節制，庫爾恰托夫領導的原子能研究中心也從科學院轉歸第一總局領導，對外情報部門的科技局也聽命於第一總局調遣。
一直到1947年，第一批蘇聯本國產的鈾才從塔吉克蘇維埃社會主義共和國列寧納巴德化學原料開採加工公司運來。在原子能勞改營系統內，人們只知道這個公司叫做“665工程建築公司”，鈾開採地點一直被保密到1990年，甚至在礦區幹活的工人們都不知道有關鈾的任何情況。
第一個工業反應堆和放射化學工廠“燈塔”，在烏拉爾地區車里雅賓斯克往北100公里克什特姆市附近開始投建。反應堆的工程項目由化學機器製造研究院院長多列扎利負責；將鈾充填到反應堆裏則由庫爾恰托夫親自負責；整個中心，即後來聞名遐邇的“原子城”車里雅賓斯克—40的建設工作，由第一總局局長萬尼科夫負責，建設的規模非常宏大。
1947年，又有三個“原子城”破土動工：兩個在斯維爾德洛夫斯克州，這兩個“原子城”負責對鈾同位素進行工業分解；一個在高爾基州，這個“原子城”負責製造鈈彈和鈾彈。負責這些工程項目的科學家現在都是舉世聞名的科學家，而在當時，他們的名字是保密的。
1948年夏天，反應堆纔開始工作。蘇聯所收集到的鈾，包括原先被淘汰、剔除的有缺陷的、含有雜質的鈾塊，全部都被充填進反應堆裏了，這在後來導致了一些鈾塊“膨脹起來”，導致了事故的發生和反應堆最終停止工作。負責修理的工作人員時常遭受過度的輻射。“燈塔”放射化學工廠開始從“燒盡了的”鈾塊中分解鈈，由於沒有等到短衰期的鈾分裂物完全衰變，放射化學家遭受了過度的輻射。古西科娃教授，1947—1953年曾經在車里雅賓斯克—40“原子城”工作過，不久前她提供了一份材料證實：當時，在分解鈈的實驗室裏“工作的基本上都是年輕姑娘，這羣姑娘每天都沉浸在特別大的危險之中，並且她們中間登記在案的放射病病例就有120例，這種放射病被人們叫做‘鈈肺硬化’”。當時，“燈塔”放射化學工廠的廢料流入一條叫“捷恰”的小河，導致當地大批農民患上了輻射病。
1949年6月，蘇聯才積聚了10公斤鈈。1949年8月29日，蘇聯第一顆原子彈終於試爆成功。根據從來都未曾公開過的最高蘇維埃的命令，一大批參加了製造蘇聯原子彈的人員獲得了蘇聯政府的獎賞，榮獲最高獎賞——社會主義勞動英雄稱號和金星獎章的科學家是庫爾恰托夫、弗廖羅夫、哈里頓、曉爾金和多列扎利。
1950年，蘇聯原子能規劃的發展進入了一個新的、更加複雜的階段——建立原子彈武器庫並研製氫彈。臨近1952年，蘇聯又建成了5個更大的工業反應堆，在14個礦產地開採鈾礦，斯維爾德洛夫斯克分解鈾同位素工廠，專門生產用於鈾彈的鈾—235。蘇聯開始建造第一個裝配有原子能發動機的潛水艇並建造第一個原子能發電站“442工程”。1953年8月12日，蘇聯又成功地進行了以固態氚化鋰—6爲熱核燃料的第一顆氫彈試驗。正是原子彈和氫彈的威力才保證了蘇聯超級大國的地位，這一地位現在部分地被俄羅斯繼承了下來。
