1944年3月，奥本海默开始组织进行钚弹的全面爆炸试验。他选定陆军阿拉莫戈多试验场中一块被称作“死亡之途”的沙漠地作为爆炸试验场，并为之起了一个古怪的名字：“三一试验场”，把这次试验代号叫做“三位一体”，这次试爆计划称做“三一计划”。他认为这是第一次人造核爆炸，这次核爆炸将成为永载人类史册的历史事件，所以要有一个响亮的名字。1962年，格罗夫斯将军写信问他，为什么取这么个代号，猜想他之所以选择这个名字，是因为美国西部用这个名字命名的河流和山峰很多，因此用它不显眼，有利于保密。
奥本海默复信说：“代号是我建议的，但不是由于你说的那个理由。我为什么选择这个名字，我也说不清楚。但我知道当时心里想些什么。我当时想起了约翰·多恩的诗句：
既然西方和东方，
在一切平展的地图上都是合为一体，
而我也是其中的一体，
因此死亡的确靠近复活。”
这首诗是多恩在医院临死前写的，其微妙之处是诗中包含着互补性，与原子弹的互补性类似。玻尔在奥本海默精神陷入危机时曾对他有过这方面的启示，垂死引向死亡，但也可能引向复活，这正是诗中揭示这一悖论的一种方式。正如原子弹是死亡的武器，但也可以结束战争，拯救人类。20世纪上半叶，没有原子弹发生了两次世界大战，20世纪下半叶，有原子弹后很可能会避免世界大战。这就是原子弹的两重性。人类可以和平利用原子能，对核武器可以实行国际监督。
奥本海默在写给格罗夫斯的信中继续说：“这仍然不能构成‘三位一体’，但多恩在另一首更为人所知的虔诚的诗中写道：
啊，三位一体的上帝，
请你打击我的心灵；
因为您至今只是敲打，呼吸，
照耀和企图补救；
为了使我爬起来，并站住，
请你打倒我，
并使用您的力量毁坏我，吹走我，
烧死我，使我获得新生。
我像一座被占领的城市，
要履行新的义务，
为欢迎您而付出劳动，
啊，无尽头的劳动；
理智是您在我心中的统帅，
我应当捍卫它，
但却被俘虏，
证明是软弱或者不真实。
然而我亲切地爱着您，
也乐于得到爱，
但我却和您的敌人订了婚。
请解除或者拆散那个婚约，
把我带到您的身边，监禁起来，
因为除非您奴役我，
否则我永远不会自由，
也不会贞洁，除非您蹂躏我。”
这首诗同样探讨了一种破坏也可以拯救人的这一主题。
这首诗还表现出一种尚武精神，充满热情又充满矛盾，这其实是奥本海默心态的真实写照，人们能够从中体会到奥本海默为这次试验提出“三位一体”代号的缘由。
科学家们对铀弹和钚弹采取了不同的设计方法。一种叫“枪法”，后来代号为“小男孩”的核弹用的就是这种设计方法。“枪法”设计困难少，其机械、制作特性和检验方法都相对成熟，但它只适用于铀装料，不适用钚装料。大多数科学家赞成“枪法”，并认为这种设计保险系数大，引爆不成问题。
另一种设计方法是“内爆法”。这种方法对核装料纯度要求高，技术难度大，要使难以压缩的固体核装料进一步压缩，并在短时间内产生高速高压对应向心的组合力。钚弹就是这种设计，经过无数次实验，对于钚弹来说这是一种比较优化的设计思想。但这种设计难度大，成功率低，“三一计划”就是进行钚弹爆炸试验。
内爆法适合钚弹，枪法适合铀弹，当时从橡树岭“克林顿工程局”运抵洛斯阿拉莫斯的铀只够制造一枚铀原子弹，这迫使奥本海默不得不考虑制造钚弹。
制造钚弹最大的设计难题就是怎样引爆钚弹。奥本海默任命派厄尔斯为钚弹内爆研究室主任。在派厄尔斯的主持下，他们研制出了内向爆炸透镜状体系统。
内爆核武器全面试验前首先要试验内向爆炸透镜状体能不能将钚弹弹体内的弹芯引爆。
伯克利的理论家克里斯蒂设计了一个较为保守的实体弹芯，两个相配的半球，总量不到一个临界质量，而内爆将把它们原有的密度至少挤压得增加一倍，从而使质量超过临界。
将内爆透镜状体与实体弹芯组装到一起就进入了试爆状态。
奥本海默对钚弹全面试爆的成功与否非常担心。“三一试验场”的试验一推再推，他让物理学家们在实验室内进行精益求精的实验，力求万无一失。但就在“三一计划”进展顺利的时候，传来了罗斯福总统逝世的消息。
罗斯福逝世的消息传到洛斯阿拉莫斯时，奥本海默从办公室里出来，走到行政大楼的台阶上，对自发地聚集在那里的人们讲了一些安慰的话，并定于三天后为罗斯福总统开追悼会。
4月15日清晨，一夜的雪掩盖了洛斯阿拉莫斯的粗犷轮廓，一切活动停顿了，一片柔和的白色，天空红日高照，所有艳丽色彩的物品都用深蓝色布遮盖着。奥本海默在追悼会上作了一次被他的同事称作最好的讲话，他说：
“三天前，当全世界听到罗斯福总统逝世的消息时，许多不习惯于流泪的人都哭了，许多不大祷告的男女老少向上帝祈祷了。我们有许多人对前途忧心忡忡；我们有许多人感到不能肯定我们的工作是否能够圆满结束。我们大家都认识到一位伟人是多么宝贵。
“我们亲身经历过大灾难、大恐怖的岁月。罗斯福是我们的总统，我们的总司令，而且从古老和正确的意义上说，是我们的领袖。全世界的人都仰望着他，向他寻求指引，并且在他的身上看到了他们的希望，希望这个时代的邪恶不再重演，希望人们所作的巨大牺牲，以及将要作出的牺牲，能引向一个更适于人类居住的世界……
“印度教的经书《摩呵婆罗多》上说‘人这种动物的实质是信仰，一个人的信仰是什么，他就是什么’。罗斯福的信仰是世界各国亿万男女共有的信仰，因此有可能保持这个希望。因此，我们应该把自己奉献给这样的希望，希望他的美好事业不会因他的逝世而结束。”
对于罗斯福总统的逝世，奥本海默感到吃惊又印象深刻。他在晚年时曾向记者谈过他当时曾感到“极为悲恸……部分是因为我们不能肯定在华盛顿是否有什么人在思索着未来”，部分是对新总统的担心。杜鲁门在接替罗斯福任总统之前，只知道有个“曼哈顿计划”，除此以外一无所知。接任总统后，杜鲁门对“曼哈顿工程”持什么态度，还很难预料。一旦战争结束，“曼哈顿计划”就可能停止，这对于奥本海默来说无异于扼杀他襁褓中的婴儿，不能不说是一种悲哀。
这场悲痛很快就过去了，“三一计划”又在继续。
在钚弹进行内爆实验的时候，铀弹已经制造完毕。6月27日奥本海默同格罗夫斯碰头后，拟定把第一批原子弹运到太平洋去。他们同意把“小男孩”抛射体从海上运走，目靶部件用飞机运走。这次运输取名为“布朗克斯”行动，因为纽约市的布朗克斯镇邻近曼哈顿。
6月30日，负责决定进行钚弹试爆日期的委员会，将试爆日期推迟到7月16日。
7月9日，奥本海默坚持在钚弹试爆实施前几天，点燃一个模拟装置。这个模拟装置就是用一个内向爆炸透镜状体，压缩一个别的什么东西，从这个被压缩的东西中引出一个电磁仪器，通过仪器分析内爆效果。
这个模拟装置爆炸后，给奥本海默带来的是沮丧的消息。他们用磁性测量法测量了内爆的同时性，也就是测量将来在钚弹弹芯这个球体表面上，每个点的压力是不是相等，结果是不相等。这意味着内向爆炸透镜状体将把钚弹弹芯炸飞，弹芯不会受到均匀的压力产生核爆炸。
中午，格罗夫斯同布什和科南特飞到“三一试验场”，对试验人员横加指责。奥本海默惴惴不安，总部的每个人都非常烦乱。
当天晚上，奥本海默找到试验者，同他一起检查了实验仪器，发现仪器不能完全记录内爆情况，并帮他对一些数据进行了重新验算；在一个麦克韦方程上有点问题，奥本海默帮他纠正过来，并当场和他打赌，修正后的试爆一定能成功，赌注是10美元。
就在这个意想不到的困难时刻，整个“小男孩”除了目靶部件，都在两名陆军军官护送下，由一辆密封的黑色卡车和一车士兵在7月9日早晨离开洛斯阿拉莫斯，前往阿尔伯克基的柯克兰空军基地。一纸清单记述了这一卡车贵重货物：
A。一个重约300磅的盒子，里面装着炮式原子弹用的放射性物质的射弹组装；
B。一个重约300磅的盒子，里面装着特殊工具和科学仪器；
C。一个重约10000磅的盒子，里面装着全部炮式原子弹所需要的固定部分。
两架等在柯克兰的DC-3运输机把这些板箱和它们的护送军官运往旧金山附近的哈密尔顿基地，从那里另一组保安队将护送它们到亨特海军船坞，等待美国海军“印第安纳波利斯”号重巡洋舰把它们送往提尼安岛。
7月15日，奥本海默邀请了一大群将军和诺贝尔奖获得者，到“三一试验场”来观看他们的原子弹试爆。来人对试爆能否成功众说不一。
奥本海默同这些高贵的客人见面时有些紧张不安，不知所措。他对布什说：“在这个物理世界冷酷无情的最新见证之中，我孜孜求索一片宁静。”并为布什背诵了一首从梵文译出的诗：
在战争中，在森林里，
在崇山峻岭之巅，
在阴沉的大海里，
在标枪弓箭的乱射中，
在沉睡中，在迷惑中，
在耻辱的深渊中，
一个人曾经做过的善行，
一定会保卫他。
奥本海默在伯克利时，曾师从阿瑟·赖德这位学者学习梵文。一本《玛哈帕腊达》史诗，使他从中领悟到很多深刻的哲理。
那天晚上，奥本海默爬到试爆装置的铁塔上，去作最后一次礼仪式的视察。他亲手制造的作品正被吊在这个30米高的铁塔上。
当天夜里，奥本海默辗转反侧，极度不安。暴风雨开始袭击“三一试验场”，他担心这颗钚弹会被雷电引爆。
奥本海默同格罗夫斯找来了气象学家，气象专家告诉他们5～6点钟可以试爆。
7月16日凌晨2时天气开始慢慢好转，点火时间定于5时30分。
4时雨停了。
5时29分45秒“三一试验场”突然出现一道闪光。
强光把方圆400千米的天空照得通亮，爆炸中心的地面发出炫目的亮光，就像许多太阳直射着。直视爆炸的人，都暂时失明。一个紫色和橙色交织的巨大火球，向外扩散达1500米。地面震动起来，一股急劲热气如海浪般涌出。承载原子弹的30米高的铁塔化为乌有，一柱白烟直冲云霄，散开成蘑菇状，最后升至12200米高空。
爆炸40秒钟后气浪冲到了奥本海默的S-10000掩体。弗兰克发现他的哥哥在掩体外面全神贯注地观察着。
十多年后弗兰克回忆说：“这个令人感到不祥的云层悬浮在我们的头上。它呈出如此光彩夺目的紫色，并带着放射性光芒。它看起来似乎永无止境地挂在那里了。当然，不会是永久的。它实际上只有很短的一瞬间，然后就往上升去。这是非常可怕的。
“接着是爆炸的雷鸣声。它在山岩上跳跃，然后就远去了——我不知道它还撞击在什么东西上。但是好像永远停不下来。不像雷鸣的通常回音。它不断地在那里翻来覆去地回响。当它消逝时，那个时刻非常令人惶恐不安。
“我希望我能记得我哥哥当时说了些什么，但是我记不起来了，我想我们只说‘成功了！’我想这就是我们说的，我们两个都这样说：‘成功了！’”
奥本海默在原子弹爆炸的瞬间，他想起了印度教圣典《薄伽梵歌》中的一句话：“我现在成了死神，成了世上万物的毁灭者。”
据报道，远在150英里之外，有一位双目失明的年轻姑娘“看”到了这道闪光。
一位在“三一试验场”参加试验的目击者说，“开始没有一点儿声音，太阳闪闪发亮，或者说看起来是这样。沙漠尽头的沙丘在亮光中闪烁，几乎辨不出颜色，看不出形状……又过了约10秒钟，光线越来越强，接着又暗下来，好像一个巨大燃油火团，形状有点像草莓……数分钟后，发出一声巨响。我虽然戴着耳塞，还是听到了很响的声音。接着，是一阵长长的隆隆声，像来自远处的重型车队”。
“三一试验场”爆炸刚一结束，格罗夫斯将军就说：“战争结束了。”
几年后，奥本海默同格罗夫斯回到“三一试验场”，查看了试验场爆炸零点铁塔。
正当“三一试验场”的试验迎来核时代之际，铀弹（代号“小男孩”）被装载到旧金山的“印第安纳波利斯”号重巡洋舰上。这艘军舰将驶往太平洋马里亚纳群岛的提尼安岛。
