Распоряжением по Академии наук СССР № 122 от 10 марта 1943 года начальником лаборатории был назначен Игорь Васильевич Курчатов. Куратором же со стороны правительства назначался заместитель Председателя СНК СССР, нарком химической промышленности Михаил Георгиевич Первухин. Однако вскоре стало ясно, что для решения поставленных задач потребуются координация деятельности научно-технической разведки, создание минерально-сырьевой базы урановых руд, строительство промышленных объектов в отдаленных регионах. В условиях военного времени такими возможностями располагал только Лаврентий Павлович Берия — член Государственного Комитета Обороны и народный комиссар внутренних дел, который постепенно начинает забирать руководство проектом в свои руки. Распоряжением ГКО № 3937сс от 16 августа 1943 года перед Наркоматом цветной металлургии и Комитетом по делам геологии была поставлена задача получения в СССР в 1944 году не менее 100 тонн урана. Для этого во Всесоюзном институте минерального сырья (ВИМС) создавался специальный сектор № 6 по урану, научным руководителем которого стал основоположник советской урановой геологии, академик Дмитрий Иванович Щербаков. В феврале 1944 года в кабинете Берии на Лубянке состоялось первое совместное совещание руководителей военной разведки ГРУ и внешней разведки НКГБ СССР по атомной тематике, на котором присутствовали начальник ГРУ генерал-лейтенант Иван Иванович Ильичев, начальник 1-го Управления (внешняя разведка) НКГБ СССР комиссар ГБ 3-го ранга Павел Михайлович Фитин, начальник 3-го (транспортного) Управления НКГБ СССР комиссар ГБ 3-го ранга Соломон Рафаилович Мильштейн и разработчик агентурной операции «Энормоз» по проникновению в американские атомные секреты, начальник 3-го отдела (Англия, США и научно-техническая разведка) 1-го Управления НКГБ СССР комиссар ГБ Гайк Бадалович Овакимян.
16 мая 1944 года Сталин переводит Берию из «рядового» члена ГКО в ранг заместителя председателя, курирующего в числе других проблем и Атомный проект. Таким образом, с мая 1944 года все научные, производственные, социально-бытовые и другие вопросы, связанные с созданием атомной бомбы, решались с санкции и при участии Берии. С этого момента деятельность всех участников Атомного проекта стала приобретать более чёткий и организованный характер. С первых же дней Берия ввёл жёсткий принцип: каждый работник занимается только своим делом. Выполнение служебных обязанностей каждым сотрудником, начиная с академика Курчатова, бралось под постоянный контроль.
Так родился Атомный проект — вершина советского могущества, результат коллективного созидания разведчиков, ученых, геологов, металлургов, химиков, строителей и всего советского народа. Все наши нынешние притязания и амбиции не стоили бы и ломаного гроша, если бы у нас не было ядерного оружия — это единственный весомый аргумент и гарант мира, позволяющий россиянам уверенно смотреть в будущее. Но даже сегодня «благодарные» потомки стыдливо замалчивают имя того, благодаря кому в конечном итоге и состоялась русская цивилизация — имя Лаврентия Павловича Берии.
Курчатов, оценив преимущество нового руководства, срочно направил Берия доклад «О неудовлетворительном состоянии работ по проблеме», где поставил вопрос о кардинальном увеличении производство урана. Берия, тщательно изучив проблему, вынес её на рассмотрение ГКО, который 8 декабря 1944 года принял постановление № 7102сс/ов «О мероприятиях по обеспечению развития добычи и переработки урановых руд». Поиски, разведка, добыча и переработка урановых руд отныне передавались в ведение НКВД СССР под личную ответственность заместителя наркома, комиссара ГБ 3-го ранга Авраамия Павловича Завенягина. Для этого было развёрнуто 9-е Управление НКВД. Разработка урановых месторождений началась в горах Карамазар — старинном горнорудном районе на южных отрогах Кураминского хребта в Северном Таджикистане. Работавшие на месторождениях Табошар, Уйгур-Сай, Майли-Су, Тюя-Муюн и Адрасман геологоразведочные партии Наркомцветмета передавались в НКВД СССР. Переработка урановой руды осуществлялась на Табошарском заводе «В» Главредмета. Все геологические организации обязывались приступить к поискам радиоактивных руд. В геологических управлениях различных министерств и ведомств были созданы специальные группы, отряды и партии, которые начали прежде всего массовую ревизию коллекций горных пород, руд и керна буровых скважин и массовый промер радиоактивности образцов пород и руд, отобранных на действующих рудниках, разведуемых месторождениях и при проведении геологоразведочных работ различного назначения. И все же поставленная на 1944 год задача получить не менее 100 тонн урана выполнена не была — лишь в декабре 1944 года в Москве в институте «Гиредмет» в лаборатории Зинаиды Васильевны Ершовой был получен первый в СССР металлический уран.
Сбором данных об американском Манхэттенском проекте в ходе агентурной операции «Энормоз» руководил заместитель резидента НКВД СССР в Нью-Йорке, в то время майор ГБ Леонид Романович Квасников (оперативный псевдоним «Антон»). Важнейшими его источниками, в том числе в ядерном центре в Лос-Аламосе, были физики Клаус Фукс («Чарльз»), Тед Холл («Млад», «Персей»), Мортон Собелл («Коно») и механик Дэвид Грингласс («Калибр»). Двое последних входили в группу Юлиуса Розенберга «Волонтёры», которая насчитывала не менее 18 человек — инженеров американских компаний, занятых в военно-промышленном комплексе США. Детали деятельности этих агентов по-прежнему засекречены, но, в частности, сам Юлиус Розенберг («Либерал», «Антенна») получал секретные чертежи от брата своей жены — Дэвида Грингласса, который работал механиком в ядерном центре в Лос-Аламосе и занимался созданием форм для фокусирующих линз, которые играют важную роль в конструкции бомбы. Он же передал Розенбергу рабочие чертежи бомбы, сброшенной на Нагасаки, и отчёт на 12 страницах о своей работе в Лос-Аламосе.
Со стороны нью-йоркской резидентуры связь с агентами осуществляли Александр Феклисов (оперативный псевдоним «Калистрат») и Анатолий Яцков («Яковлев»), а также граждане США Гарри Голд («Раймонд») и супруги Моррис и Леонтина Коэн («Луис» и «Лесли»). Действовавший в Сан-Франциско под прикрытием должности вице-консула СССР резидент Григорий Маркович Хейфец установил доверительный контакт с научным руководителем Манхэттенского проекта Робертом Оппенгеймером. Большой агентурной сетью среди американских ученых располагал работавший там с 1938 года выпускник Массачусетского технологического института майор ГБ Семён Маркович Семёнов (Таубман) — оперативный псевдоним «Твен». Именно он установил код Манхэттенского проекта и местонахождение его главного научного центра — бывшей колонии для малолетних преступников Лос-Аламос (штат Нью-Мексико). Супруга советского резидента в Нью-Йорке Василия Михайловича Зарубина, майор ГБ Елизавета Юльевна Зарубина, познакомилась с женой Оппенгеймера Кэтрин и через личный контакт с ней стала оказывать необходимое влияние на отцов американской атомной бомбы, среди которых были Энрико Ферми и Лео Силлард.
Первоначально основная часть разведданных передавалась в зашифрованном виде по радио. Однако в 1943 году Федеральное агентство по связи в рамках слежения за эфиром во время войны обнаружило, что из советских консульств в Сан-Франциско и Нью-Йорке ведется несанкционированная радиопередача. Радиоаппаратура была конфискована, и персонал консульств перешел на обычный коммерческий телеграф. Таким образом, собственно перехват передач никакой технической сложности не представлял. Донесения зашифровывались двойным кодом, однако в 1942 году в НКВД по неизвестной причине сделали ошибку и составили книгу одноразовых ключей, в которой встречались повторы, которые наблюдались вплоть до 1948 года, пока Ким Филби не сообщил в Москву, что донесения советской разведки расшифровываются. В июле 1995 года в США по инициативе сенатора Дэниела Патрика Мойнихена Агентство национальной безопасности (АНБ) начало публикацию расшифрованных сообщений из досье «Венона». Всего было опубликовано 49 сообщений за период 1944–1945 годов, относящихся к истории «атомного шпионажа». Упорядоченные по дате они выложены на сайтах АНБ и ЦРУ. Кроме того, в начале 90-х годов СВР предоставила доступ к архивным материалам по данной тематике бывшему сотруднику КГБ Александру Васильеву, который вскоре уехал на Запад, прихватив с собой восемь тетрадей сделанных им выписок — все они в настоящее время доступны в Интернете.
В декабре 2016 года появилась книга доктора исторических наук, директора Дома-музея И.В. Курчатова Раисы Васильевны Кузнецовой «Гений научно-технической разведки» о Герое России полковнике Леониде Романовиче Квасникове, которая содержит полный текст беседы Леонида Романовича и Раисы Васильевны 1993 года. Интервью Квасникова является уникальным в том смысле, что хронологически является первым подробным изложением сути «атомного шпионажа», сделанным одним из его участников. В открытой печати об «атомном шпионаже» впервые рассказал подчиненный Квасникова по нью-йоркской резидентуре, впоследствии также Герой России Александр Семёнович Феклисов в книге «За океаном и на острове. Записки разведчика» (1994). В том же году в США вышла книга воспоминаний генерал-лейтенанта Павла Анатольевича Судоплатова «Special Tasks», переизданная затем в 1996 году в русском переводе в России под названием «Разведка и Кремль: Записки нежелательного свидетеля». В 1997 году увидела свет книга полковника ФСБ Владимира Матвеевича Чикова «Нелегалы. В 2 частях. Часть I. Операция “Enormous”», в которой автор использует впервые рассекреченное архивное дело КГБ СССР № 13676 «Энормоз», в котором собраны материалы под грифами «Совершенно секретно», «Хранить вечно» и «При опасности — сжечь». И, наконец, в 1999 году появляется еще более фундаментальная работа участника атомного шпионажа А.С. Феклисова «Признание разведчика».
Согласно этим источникам, завербованный «Твеном» (Семёном Семёновым) и получивший приглашение в Лос-Аламос 19-летний физик-вундеркинд из Чикаго Тед Холл на первой же встрече в городе Альбукерке в 1944 году передал Лоне Коэн чертежи плутониевой бомбы. Через 12 дней после сборки в Лос-Аламосе первой атомной бомбы «Штучка» (Gadget), работавшей на основе распада плутония-239 и имевшей имплозивную схему подрыва, Центр получил ее описание, причем по двум независимым каналам — от агентов «Чарльз» (Клаус Фукс) и «Млад», он же «Персей» (Тед Холл). Первая шифрограмма поступила в Центр 13 июня, вторая — 4 июля 1945 года. Через пять лет эти шифрограммы были расшифрованы в ходе проекта «Венона» и использованы для ареста Фукса, но уже в Англии, что позволило ему избежать электрического стула. Тед Холл тоже был арестован, но поскольку кроме расшифрованных в ходе «Веноны» шифрограмм на него ничего не было, а проект «Венона» был засекречен и его нельзя было использовать в суде, то американские власти смогли лишь уволить Холла. С 1962 года он проживал в Англии, где работал в Кавендишской лаборатории в Кембридже. После опубликования материалов проекта «Венона» в 1995 году Холл заявил, что он — уже не та личность, но и не стыдится её.