В середине двадцатых годов Н. Н. Семёнов создал новое направление - исследование физического механизма химических реакций, химическую физику. Высокий уровень понимания процессов горения и взрыва оказался в дальнейшем очень важным для развития атомной техники. В 1931 г. был создан Ленинградский институт химической физики.
Отечественные ученые заложили основы изучения радиоактивности и физики деления ядра. Для физических исследований в РИАНе был построен и пущен в 1937 г. первый в стране и Европе циклотрон. Были получены существенные данные по делимости атомных ядер. Протонно-нейтронное строение ядра, капельная модель ядра, открытие явления ядерной изомерии, открытие черенковского излучения и явления спонтанного деления, теория цепных процессов - вот перечень достижений, иллюстрирующих, что в предвоенные годы отечественная ядерная физика находилась на переднем крае мировой науки. Именно это обстоятельство впоследствии сыграло решающую роль при разработке и создании отечественного ядерного оружия.
В 1938 г. в целях координации работ в области ядерной физики при Президиуме АН СССР была образована комиссия по атомному ядру под председательством академика АН СССР С. И. Вавилова. В 1939 г. Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной реакции деления.
Предвоенный 1940 год оказался богатым на результаты и предложения в области использования энергии урана. Так, в августе этого года И. В. Курчатов, Л. И. Русинов, Г. Н. Флёров и Ю. Б. Харитон представили в Президиум АН СССР свои предложения “Об использовании энергии урана в цепной реакции”. В этом же году при АН СССР была организована Урановая комиссия. На заседании этой комиссии, например, 16 сентября 1940 г. Ю. Б. Харитон изложил теоретические соображения об условиях, при которых возможно было ожидать распада урана; А. П. Виноградов обратил внимание участников заседания на прекращение публикаций в зарубежной литературе о методах разделения изотопов урана, подчеркнув при этом, что по ряду признаков можно судить о продолжении интенсивных работ в этом направлении.
Начавшиеся в стране разработки урановых месторождений и проводимые исследования физики атомного ядра были прерваны войной с гитлеровской Германией. Все людские и материальные ресурсы страны были привлечены к нуждам фронта. Ученые также активно занимались решением оборонных задач: И. В. Курчатов и А. П. Александров решали проблему размагничивания кораблей Черноморского и Балтийского флотов, Волжской флотилии, а Ю. Б. Харитон в НИИ-6 работал над созданием новых взрывчатых составов. Но работы эвакуированных в Казань институтов продолжались. Туда была перевезена часть аппаратуры и установок РИАНа, ЛФТИ, на Урал был вывезен “фонд урана” из Ленинграда.
В 1941-1942 гг. в Советский Союз стали поступать сведения о проводимых в Германии, Англии и США работах по использованию атомной энергии в военных целях. Государственный Комитет Обороны, возглавляемый Сталиным, несмотря на сложное положение на фронте, в сентябре 1942 г. признал необходимым возобновить прерванные войной работы по исследованию возможности овладения внутриатомной энергией.
11 февраля 1943 г. ГКО назначил научным руководителем работ по атомной проблеме профессора ЛФТИ И. В. Курчатова. Для решения поставленной задачи 12 апреля 1943 г. была создана Лаборатория № 2 АН СССР - будущий Курчатовский институт, крупнейший научный и организационный центр, стоявший у истоков атомной промышленности страны.
Но вскоре стало ясно, что для выполнения теоретических и газодинамических исследований, связанных с проведением взрывов больших масс химического ВВ, необходим самостоятельный научно- исследовательский и конструкторский центр с мощной производственной базой. В связи с этим для ускорения разработки зарядов и обеспечения секретности работ Постановлением Совета Министров СССР № 805-327сс от 9 апреля 1946 г. было принято решение об организации при Лаборатории № 2 АН СССР Конструкторского бюро (КБ-11) по разработке конструкции и изготовлению опытных атомных бомб. Начальником был назначен П. М. Зернов, главным конструктором - Ю. Б. Харитон (в дальнейшем - научный руководитель КБ-11). Постановлением принято предложение Комиссии о размещении КБ-11 на базе завода № 550 Министерства сельскохозяйственного машиностроения и прилегающей к нему территории (пос. Сарово Мордовской АССР). Так был создан первый ядерный оружейный центр страны - ВНИИ экспериментальной физики.