在第二次世界大战之前的几年中，德国处于原子能理论和实验物理学的前沿。这一发现是在一系列连续的实验之后得出的。1932年发现中子后的几年里，柏林的一个科学家小组记录了大量的“超铀元素”和杰出的U-239，这是一种发射β的铀同位素，由U-238的共振捕获形成。这些实验带来了核已经分裂的必要证据，在铀产物中发现了钡。
1939年1月6日，哈恩与弗里茨·施特拉斯曼共同发表了他的研究结果。出生于奥地利的犹太裔物理学家莉丝·迈特纳(Lise Meitner)于1938年逃离柏林，来到斯德哥尔摩工作。她在1939年1月16日提交给《自然》杂志的一篇论文中首次对裂变过程进行了理论解释。这项研究使德国在寻求核武器方面走在了美国和世界其他国家的前面。

战争开始时，德国在寻找一位科学家来帮助领导他们的核计划，他们认为维尔纳·海森堡将是他们创造原子弹的终极目标的宝贵财富。海森堡赢得了1932年的诺贝尔奖，诺贝尔委员会称其为“量子力学的创造”。虽然他可能不是量子力学的唯一发明者，但他的不确定性原理是研究和理解量子力学的一个基本组成部分。海森堡被认为是20世纪最伟大的理论物理学家之一，与爱因斯坦和玻尔处于同一水平。

1939年9月，海森堡和其他德国科学家在军事命令下成立了铀联盟，为战争研究核能。这个小组的目标是确定核武器在不久的将来是否有意义，以保证发展这项技术所需的可观开支。1940年，c·f·冯·魏茨泽克(C. F. von Weizsacker)提出使用镎(93号元素)作为核爆炸材料，但一旦意识到这种元素不稳定，钚(94号元素和镎的衰变产物)就被提出作为替代。与此同时，海森堡错误地计算出，U-235核武器所需的临界质量约为几吨，而不是实际值15-60公斤。即使有这样的计算错误，1941年还是有人相信，如果战争再持续几年，核武器就会被开发出来。
然而，1941年，德国在前几年征服了法国、挪威和波兰之后，刚刚入侵苏联。德国的核项目在其鼎盛时期，包括德国和奥地利12个城市的22个研究所。这是对人力和智力资源的重大消耗。因此，1941年12月，德国军队决定放弃核裂变项目，转而专注于其他新技术的发展，主要是火箭和喷气式飞机，这些技术会产生更直接的影响。
有可能是海森堡在计算反应所需铀的临界质量时的错误导致了撤回资助的决定。1942年2月的一份名为“Energiegewinnung ausuran”的总结报告涵盖了自1939年以来核工作的所有方面，包括对一枚炸弹所需临界质量的大致准确估计。不管怎样，德国的核问题都有重大障碍，如果发展核武器，就必须克服这些障碍。

鉴于德国在1939年和1941年的领先地位，在考虑德国没有开发原子弹的原因时，有三个主要问题突出。这些因素包括缺少核物理学家，工业对成功的要求以及对立即结果的渴望。在20世纪20年代和30年代初，德国是理论物理学的领先国家，但随着纳粹主义的崛起，大量的科学家，尤其是犹太人，使德国队在盟军面前处于非常不利的地位。对于留在德国的科学家来说，由于德国政府对纯科学缺乏兴趣，几乎整整一代物理学家都迷失了方向在每个人的基础上，盟军团队更有能力对付某些人，如冯·诺伊曼，这是德国团队无法匹敌。战后，海森堡告诉汉斯·贝特，核能是拯救德国物理学家以备战争结束时之用的一种方法。

除了缺乏大量的物理学家，德国是一个在战区内工业产出有限的国家。人们认为，核裂变有两种慢化剂，碳和重水，它们需要减缓裂变产生的中子的速度，从而产生连锁反应。德国实验物理学家沃尔特·博斯(Walter Bothe)和在美国工作的恩里科·费米(Enrico Fermi)进行了实验，以验证碳是否可以充当慢化剂。两人都认为碳不会起作用，但费米认为碳最多只能勉强发挥作用，和费米一起工作的利奥·西拉德，记得碳化硼通常被用来制造石墨。硼原子的吸收量是碳原子的10万倍，这种杂质导致两者都认为碳不是一个令人满意的慢化剂。因此，德国认为重水是唯一有能力的慢化剂。因为唯一的重水生产设备位于挪威很容易被盟军瞄准并摧毁，德国队没有取得成功所需的工业支持。

在1940年4月9日德国入侵时，挪威已经开始生产重水。挪威的重水生产设施很快得到了保障(尽管一些重水已经被移除)，并得到了德国人的改进。盟军和挪威人破坏了挪威的重水生产，并在1943年摧毁了重水储备。
在财力和人力资源方面，德国铀俱乐部更是无法与曼哈顿计划匹敌。曼哈顿计划消耗了大约20亿美元(1945年)的政府资金，在其鼎盛时期雇佣了大约12万人，主要是在建筑和运营部门。曼哈顿计划总共涉及约50万人，几乎占美国全部民事劳动力的1%。相比之下，德国铀俱乐部的预算仅为800万德国马克，相当于大约200万美元(1945年)，少了1000倍。
随着苏联入侵后战争的恶化，人们提倡在不久的将来实施技术，而不是长期技术。Bagge和Diebner指出，关键的错误是陆军在1941年12月要求在9个月内生产出一种军事产品。继续资助的唯一办法是让科学家发表他们知道无法满足的声明。在这种情况下，专家们决定不推动国家加大支持核武器的工业努力。考虑到盟国的核项目拥有更好、更多的物理学家、军队的支持和美国的工业能力，他们先于德国研制出原子弹就不足为奇了。然而，必须指出的是，即使有所有这些优势，美国也只是在1945年7月，即欧洲战争两个月后才第一次成功地搞出了核武器。

1945年7月，“铀俱乐部”的十名成员在英国一个叫Farm Hill的乡间庄园举行聚会。这个地方被窃听了这样盟军就能了解德国离制造核武器有多近。在“小男孩”被投到广岛之前，科学家们完全相信他们在核武器的发展上走得最远，但是核武器不可能在不久的将来制造出来。对于美国在广岛投掷原子弹一事，海森堡称，“我对整件事一个字也不相信。”
在了解了核爆炸的情况后，海森堡做了一个关于核武器的演讲，并在信封背面精确地测量了所需的铀量。当科学家们得知在长崎投下的原子弹的质量时，他们无法确定如何能用这么少的核燃料制造出核武器。科学家们甚至从未考虑过钚可能在核爆炸中被使用的可能性。尽管德国科学家了解了问题的基本原理，但仍然存在非常重大的障碍，使他们无法制造出完全可运行的核武器。