Группой сотрудников Калифорнийского университета в Беркли под руководством Гленна Сиборга с помощью 60-дюймового циклотрона 23 февраля 1941 года впервые был получен радиоактивный плутоний. Он представляет собой тяжелый хрупкий металл серебристо-белого цвета, обозначается символом Pu, с атомным числом 94, в таблице располагается в семействе актиноидов.

Первая бомбардировка октаоксида триурана-238 дейтронами, разогнанными в циклотроне и проходящими через алюминиевую фольгу толщиной 0,002 дюйма, была произведена 14 декабря 1940 года. Сравнивая образцы, полученные и выдержанные в течение 2,3 суток, с выделенной фракцией чистого нептуния, ученые обнаружили существенную разницу в их альфа-активностях и предположили, что ее рост через 2 суток обусловлен влиянием нового элемента, являющегося дочерним по отношению к нептунию.

Дальнейшие физические и химические исследования продолжались 2 месяца. В ночь с 23 на 24 февраля 1941 года был проведен решающий эксперимент по окислению предполагаемого элемента. После нескольких месяцев первоначальных исследований химия плутония стала считаться похожей на химию урана. Дальнейшие исследования были продолжены в секретной металлургической лаборатории Чикагского университета.

Благодаря Каннингему и Вернеру 18 августа 1942 года был выделен первый микрограмм чистого соединения плутония из 90 кг уранилнитрата, облученного нейтронами на циклотроне. Спустя месяц - 10 сентября 1942 года - на протяжении которого ученые увеличивали количество соединения - произошло взвешивание. Этот образец весил 2,77 мкг и состоял из диоксида плутония.

В работе, отправленной на публикацию в журнал Physical Review в марте 1941 года, был описан метод получения и изучения элемента. Однако публикация этой работы была остановлена после того, как были получены данные, что новый элемент может быть использован в ядерной бомбе. Публикация работы произошла спустя год после Второй мировой войны из соображений безопасности и с некоторыми корректировками.

В Третьем рейхе исследователи атома также не оставались бездеятельными. В лаборатории Манфреда фон Ардена были разработаны методы получения 94-го элемента. В августе 1941 года физик Фриц Хоутерманс закончил свой секретный доклад «К вопросу о развязывании цепных ядерных реакций». В нем он указывал на теоретическую возможность изготовления в урановом «котле» нового взрывчатого вещества из природного урана.

В рамках Манхэттенского проекта на территории США было построено множество лабораторий, предназначенных для получения, хранения, переработки и использования ядерных материалов. В результате благодаря развитию ядерных исследований будет создана первая в мире атомная бомба, во многом определившая итоги Второй Мировой войны.