紧随德国之后，日、苏、英、加各国，也加入了研制原子武器的国际竞赛。
20世纪30年代日本物理学界研究原子武器的理论权威有3个人：理化研究所的二阶义男、大孤大学的菊池正四和荒胜文策。荒胜于1934年成功地完成人工轰击原子试验，使日本居于世界科研水平的前5名国家行列。日本军方经首相东条英机认可，根据核物理学家们的建议，于1940年正式提出了研制原子武器的要求。二阶义男的理化研究所成为日本研制原子弹的主要基地，而主要的试验室设在东京帝国航空技术科研所大楼。1942年，一个潜伏在美国的西班牙间谍向日本军方密报美国的原子弹研制秘密，又使日本的研制计划得到新的推动力。
但是，日本要研究、制造原子弹，有两个物质方面的主要障碍，一个是需要有充足的铀矿供应来源，日本资源贫乏，国内没有铀矿藏。侵华日军根据东京陆军总部指示，协助日本地质学家在中国大陆四处调查，寻找铀矿资源，收效不大。后来，日本政府与德国交涉，争取到希特勒同意提供1吨氧化铀，支持日本的原子弹研制计划，但专门运送氧化铀的德国潜艇航至马来亚海面时，被美国海军击沉。日本的另一个困难是电力供应。研制原子弹需要耗费日本十分之一的发电量，这对工业实力有限的日本也显然力不从心。