吴健雄到达美国加州旧金山，原本计划一周后就继续东行，到密执安大学去入学，不料这一停留，竟使她改变计划安排，在加州大学伯克利分校留了下来。

　　伯克利分校当时聚集了一批年轻而又具顶尖水准的物理学家，如发明和建造回旋加速器的劳伦斯，还有后来被称为“原子弹之父”的理论物理学家奥本海默。吴健雄在伯克利的表现是出类拔萃的，她的勤奋与聪慧让人刮目相看。1940年吴健雄顺利通过博士论文答辩。先后任教于美国史密斯学院、普林斯顿大学。

　　1942年6月，一个被称为“曼哈顿”的原子弹制造计划正式开始。这个在美国开始并改变人类历史的科学计划，集合了当时同盟国许多第一流的科学家。在这些投身计划的科学精英中，也有一位杰出的中国物理学家，那就是吴健雄。1944年3月开始，吴健雄进入哥伦比亚大学任资深科学家，并且获特殊的保密许可，以一个外国人的身份，参加当时美国最高机密的、制造原子弹的“曼哈顿计划”。

　　一个初到美国不过几年，不具备美国国籍的中国人，凭什么得到特殊的保密许可，参加如此机密的一个国防科学计划的核心工作？

　　原来，吴健雄在原子核物理研究上，一开始便有极其重要的成就。

　　吴健雄曾经独立地在铀原子核分裂产物碘中，观察并且确定出两种放射性惰性气体氙的半衰期、放射数量和同位素数量。吴健雄的工作使得由东岸回来的西格里大为激赏，认为她已经是可以独立做出一流工作的实验物理学家。

　　奥本海默对于吴健雄在核分裂方面的深刻认识，也十分清楚，每次开会讨论核分裂及原子弹相关问题时，他总是会说：“去叫吴小姐来参加，她知道所有关于中子吸收截面的知识。”

　　吴健雄的加入，她关于铀原子核分裂后产生的氙气对中子吸收横截面的研究成果，对于“曼哈顿计划”的顺利进展，产生了相当大的推动作用。

　　1945年7月16日，在新墨西哥州的一个沙漠中，人类第一颗原子弹试爆成功。它惊人的威力，使人目盲的闪光和巨大的蘑菇状云层，象征一个新时代的降临。三个星期后，投在日本广岛和长崎的两颗原子弹，终于促成了二次世界大战的结束。

　　有人认为，吴健雄对“曼哈顿计划”的贡献，对中国有着难以估量的重大贡献。因为，日本的提早投降，使得中国战场上少牺牲了不计其数的中国人。