1937年2月，纳粹德国开始执行 “铀计划”。1941年末，珍珠港事件后，美国参加了二次大战，与纳粹德国宣战。一些美国科学家提议，要先于纳粹德国制造出原子弹。美国陆军部于1942年6月开始，实施利用核裂变反应来研制原子弹的计划，亦称曼哈顿计划。

插播：中国“核弹之母”，被誉女版钱学森

该工程集中了当时西方国家（除纳粹德国外）最优秀的核科学家，1944年，吴健雄以一个外籍女科学家的身份，受老师劳伦斯、奥本海默之邀，参与到美国绝密的“曼哈顿计划”。成为参与该绝密计划，唯一华人女物理学家。她负责最核心的工作——“原子核的分裂反应”，其实验成功解决了，链式反应无法延续的重大难题，直接启发了核心人物费米，大大缩短原子弹试制的进程。

曼哈顿计划的最终目标，是赶在战争结束以前造出原子弹，原子弹研制成功后，最先制造的两颗原子弹，在日本广岛和长崎被引爆，迫使日本宣布无条件投降。之后，吴健雄被称为原子弹之母、原子核物理的女王、中国居里夫人。

1956年，杨振宁、李政道，怀疑“宇称守恒定律”，因实验太困难，希望渺茫，无人可以证实他们的理论。他们找到吴健雄，这时，吴健雄已与袁家骝，买好返回大陆的船票，想看看阔别20多年的故乡，但是这项极富挑战的实验吸引了她。袁家骝也积极支持，他退掉一张船票孤身一人回国。吴健雄作为项目的领导者，带领实验走向了成功，虽然因为某些原因，她未能获得诺贝尔奖，但她作为人梯，却把两位年轻的中国科学家，推上了诺贝尔奖领奖台。许多科学家都为她抱不平，她在这场实验中做出了重大的贡献，人们都说她是被诺贝尔奖亏待的科学家，但她本人从未作出任何回应。只是在给1988年诺贝尔奖得主，史坦伯格的祝贺信上写道：“尽管我从来没有为了得奖而去做研究工作，但是，当我的工作，因为某种原因而被人忽视，依然是深深地伤害了我。”1958她当选为美国科学院院士，1975年任美国物理学会第一任女性会长，同年获得美国最高科学荣誉—国家科学勋章。

她始终没有忘本，而是时刻惦记着祖国的科学发展工作。1982年其受聘为南京大学、北京大学、中国科学技术大学，等校的名誉教授，是中国科学院高能物理研究所，学术委员会委员，1994年当选为中国科学院首批外籍院士。晚年，吴健雄拿出25万美元，捐赠给了明德学校作为基建费。她表示，她是华夏儿女，作为一名科学家，她拿不出更多的钱来，但她可请海内外优秀的科学家，来做学校的顾问，推动祖国科技建设的发展。