Inicialmente rastreamos el ascenso de Oppenheimer a través de la academia y la vertiginosa formación de relaciones con otros grandes pensadores de su tiempo, al mismo tiempo que vislumbramos una audiencia posterior en la que un Oppenheimer mucho mayor está siendo criticado por sus creencias liberales y sus presuntos vínculos con el comunismo soviético. Una tercera historia (filmada en blanco y negro) nos presenta a Lewis Strauss (Robert Downey Jr.), el ex jefe de la Comisión de Energía Atómica, y ahora candidato para un puesto en el gabinete en la segunda administración de Dwight Eisenhower. La conexión de Strauss con Oppenheimer se vuelve gradualmente más clara a medida que avanza la película.
Francamente, es casi imposible hacer un seguimiento de quién es quién de las figuras históricas aquí, incluido el creador de la bomba de hidrógeno Edward Teller (Benny Safdie), el ganador del Premio Nobel Ernest Lawrence (Josh Hartnett), el teórico cuántico Niels Bohr (Kenneth Branagh) y el físico Richard Feynman (Jack Quaid), entre muchos otros. También conocemos a las dos mujeres principales en la vida de Oppenheimer: la psiquiatra y activista comunista, Jean Tatlock (Florence Pugh), y la eventual esposa de Oppenheimer, Kitty (Emily Blunt), ninguna de las cuales hace mucho, aunque Blunt tiene una escena conmovedora en apoyo de su hombre cerca del final de la película.
Es cuando llega la noticia de que los nazis están trabajando en su propia versión de la bomba atómica, y que el presidente Franklin D. Roosevelt ha aprobado el desarrollo acelerado de esa arma por parte de Estados Unidos, que la tensión y el impulso en Oppenheimer trinquetes hacia arriba. Mientras Oppenheimer y sus compañeros físicos trabajan en las teorías detrás de la bomba y si podría funcionar, el científico es puesto a cargo de su desarrollo real por el general Leslie Groves (Matt Damon), quien está impresionado por la amplitud del conocimiento de Oppenheimer y algunas cualidades de liderazgo nunca antes vistas.
Es una apuesta que volverá a perseguir a Groves más tarde, dado que las inclinaciones progresistas de Oppenheimer, así como su coqueteo indirecto con el Partido Comunista Estadounidense, aunque nunca fue miembro oficialmente, son bien conocidas y vistas con cierto recelo en muchos sectores del gobierno. Algunas de sus ideas, como buscar eventualmente evitar construir una «súper» bomba aún más grande derivada de una reacción de hidrógeno, son recibidas con incredulidad.
Sin embargo, Oppenheimer, Groves y su equipo se apresuran a completar la bomba antes de que los alemanes puedan hacerlo, incluso mientras intentan contener el flujo de información fuera de Los Álamos (donde los militares literalmente han construido una ciudad para mantener a todos en el proyecto en un solo lugar) y lidian con las implicaciones morales de lo que están ideando.
Las habilidades magistrales de Nolan en los cortes transversales, la creación de tensión, la interacción de la música y el sonido, y el uso máximo de las composiciones IMAX de 70 mm que él y el director de fotografía Hoyte van Hoytema implementan, pasan a primer plano durante esta parte central de la película, creando un sentido genuino de temor y urgencia a medida que se acerca la fecha y la presión se vuelve más fuerte para probar si la bomba funcionará. La urgencia surge del impulso de poner fin a la guerra de una vez por todas, mientras que el temor surge del hecho de que nadie sabe realmente qué sucederá cuando se presione ese botón.