Kemudian pada tahun 1942, Feynman mula menyertai Projek Manhattan yang berazam untuk mencipta bom atom. Menurut Feynman, beliau bersetuju membantu supaya Nazi Jerman tidak dapat mencipta bom atom lebih dahulu; pada masa itu, Perang Dunia II masih berlangsung. Disebabkan oleh kerahsiaan Projek Manhattan, beliau terpaksa tinggal di sebuah kompleks di Los Alamos, dan hanya berjumpa dengan isterinya pada hari minggu. Arline meninggal dunia pada tahun 1945. Sebelum itu, bom atom pertama telah lulus ujian pertamanya. Menurut Feynman, hanya beliau yang melihat letupan bom atom pertama itu tanpa cermin mata yang amat gelap yang disediakan kerana beliau percaya bahawa cermin depan lorinya akan menapis sinaran ultraungu yang berbahaya.

Kebanyakan kerja Feynman di Los Alamos berkait dengan komputer dan pengiraan persamaan neutron. Beliau juga kerap dijumpai oleh Niels Bohr untuk perbincangan fizik. Feynman kemudian mendapat tahu akan alasannya: kebanyakan ahli fizik berasa terlalu kagum terhadap Bohr sehingga tidak dapat memperdebatkan fizik dengannya. Feynman tidak mempunyai sebarang kesekatlakuan ini dan mengemukakan sahaja apa-apa yang dianggapnya salah dalam fikiran Bohr. Feynman berkata bahawa beliau juga mempunyai rasa hormat kepada Bohr yang setanding dengan orang-orang lain tetapi apabila membincangkan fizik, beliau akan terlupa perkara-perkara yang lain.

Oleh sebab Projek Manhattan amat rahsia, Feynman tidak mempunyai banyak peluang untuk menyertai aktiviti-aktiviti rekreasi. Berasa bosan, beliau memuaskan sifat ingin tahunya dengan membelajari bagaimana menjolok-jolok lubang kunci untuk membuka kabinet dan laci meja yang digunakan untuk menyimpan kertas-kertas. Feynman juga suka mempermainkan rakan-rakan sekerjanya. Dalam suatu kejadian, beliau menemui nombor kunci gabungan untuk sebuah kabinet fail selepas mencuba nombor-nombor yang mungkin akan dipergunakan oleh seorang ahli fizik (nombor itu terbukti merupakan nombor 27-18-28, sempena nombor asas logaritma asli, e=2.71828...), dan mendapati bahawa ketiga-tiga kabinet yang digunakan oleh rakan sekerjanya itu untuk menyimpan nota-nota penyelidikan bom atom kesemuanya mempunyai nombor gabungan yang sama.