В 1942 году Курчатов внес большой вклад в решение и такой крупной научной проблемы военно-прикладного характера, как усиление броневой защиты боевой техники. Возглавляемая им лаборатория ЛФТИ успешно справилась с выполнением исследований, связанных с усилением защиты танков, самолетных баков, а также пехоты на поле боя. Был доведен до степени промышленного внедрения метод, позволявший с помощью специального навесного оборудования значительно усилить броню танка без увеличения ее толщины и веса боевой машины. Эта работа Курчатова и коллектива «броневой» лаборатории ЛФТИ была представлена к награждению Сталинской премией.
В 1942 году, еще до официального назначения научным руководителем атомного проекта, Курчатов занял одно из центральных мест в разработке и проведении в жизнь серии важнейших государственно-правовых актов, определивших стратегическую линию, темпы и направления выполнения сложнейшей задачи глобального исторического значения — создания отечественного атомного и термоядерного оружия. С октября 1942 года Государственный Комитет Обороны (ГКО) привлекает его к подготовке материалов, необходимых для принятия правительственных решений по этой проблеме.
Курчатов не был инициатором создания советского атомного оружия. Идея зародилась в ГКО страны в тяжелейшем военном 1942 году под влиянием достоверных сведений о развернутых в Германии, США и Великобритании работах по созданию атомной бомбы. Свое участие в этом деле Курчатов воспринял как вынужденную необходимость, диктуемую сложнейшей международной обстановкой, стремлением обеспечить безопасность своей родины в будущем. Приступая к работе, он, как и ряд других видных отечественных физиков, полагал, что освоение атомной энергии потребует колоссальных государственных средств и ресурсов, которых в разрушенной войной стране крайне мало. Но, в отличие от некоторых своих старших коллег, он выразил моральную готовность взять на себя ответственность за создание атомного щита государства, будучи убежден, что защита отечества является высшим долгом гражданина. Данные разведки о работах на Западе укрепили его уверенность в правильном выборе — согласиться возглавить работы по созданию атомного оружия. Сравнение результатов отечественных и зарубежных исследований позволило Курчатову сделать вывод, что полученные разведкой сведения позволят существенно сократить сроки достижения поставленной цели.
Курчатов на протяжении полутора десятков лет осуществлял непосредственное и постоянное руководство всем огромным комплексом работ по созданию, научному и техническому обеспечению производства ядерных материалов (делящихся веществ и термоядерного горючего), а также по конструированию и испытанию первых советских атомных и водородных бомб. То обстоятельство, что первая советская атомная бомба, успешно испытанная на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949 года, являлась копией американской, не умаляет огромных заслуг курчатовского коллектива. Ему потребовалось организовать и провести крупномасштабные исследовательские работы в целях перепроверки всех предоставляемых разведкой данных, дабы убедиться, что они не являются дезинформацией. В кратчайшие сроки пришлось «с нуля» создавать огромную научную, экспериментальную и производственную базу, разрабатывать уникальные технологические процессы. Хотя у советских ученых имелись собственные идеи и наработки в заданном направлении, но ради экономии времени их было решено отложить. Принятое ГКО решение о копировании американской бомбы вызывалось политическими обстоятельствами, а не слабостью отечественной науки. Именно такой путь являлся самым коротким и надежным для достижения цели всемирно-исторического значения — разрушения ядерной монополии США и предотвращения атомной войны.
Следующая атомная бомба, испытанная под руководством Курчатова в 1951 году, принципиально отличалась от американской копии. Она была в два раза мощнее, имея при этом гораздо меньшие габариты и вес, что позволило транспортировать ее на самолете. При создании водородной бомбы советские ученые во главе с Курчатовым шли своим путем и, успешно испытав ее в августе 1953 года, опередили американцев в навязанной нашей стране гонке ядерных вооружений.