К участию в научных разработках были подключены физико-химические институты Гамбургского, Лейпцигского, Грейфсвальдского, Гейдельбергского и Ростокского университетов.
В течение двух лет группа Гейзенберга провела отправные теоретические исследования и эксперименты, необходимые для создания атомного реактора с использованием урана и тяжелой воды. Также было установлено, что взрывчатым веществом может служить изотоп урана-238 — уран-235, содержащийся в обычной урановой руде.
Намеченные исследования в Германии нуждались в достаточных запасах урана, получении тяжелой воды или чистого графита. Для лабораторных разработок хватало руды, поставляемой с месторождения в Яхимове из Чехословакии, но в дальнейшем урана требовалось значительно больше. Еще сложнее было положение с тяжелой водой. Однако вскоре проблемы разрешились. После оккупации Бельгии весной 1940 года на обогатительной фабрике концерна «Юнион миньер» немцы захватили около 1200 тонн уранового концентрата, что составило почти половину имеющегося мирового запаса урана (другая часть запаса в сентябре того же года была тайно переправлена из Конго в Нью-Йорк). С оккупацией Норвегии в руках у немецких руководителей атомного проекта оказался завод фирмы «Норск-гидро» в Рьюкане, в то время единственный в мире производитель и поставщик тяжелой воды (накануне оккупации 185 килограммов тяжелой воды были вывезены по запросу Жолио-Кюри в Париж, она же попадает в США).
В декабре 1940 года под руководством Гейзенберга завершилась постройка первого опытного реактора, а фирма «Ауэргезельшафт» освоила производство металлического урана в Ораниенбурге. Одновременно в секретных лабораториях «Сименса» начался поиск путей промышленной очистки графита для использования его в качестве замедлителя нейтронов в реакторе при отсутствии тяжелой воды, а также развернулось проектирование электроэнергетического обеспечения проекта.
Знаменательно, что почти в то же самое время решением Особого совещания НКВД в апреле 1940 года из СССР был выслан известный немецкий физик Ф. Хоутерманс. Он длительное время работал в физико-техническом институте в Харькове, в частности, с известнейшим физиком Ландау, занимался вопросами ядерной физики. Хоутерманс был арестован в декабре 1937 года «как подозрительный иностранец, прикидывавшийся беженцем-антифашистом». В защиту Хоутерманса выступили крупнейшие физики мира: Бор, Эйнштейн, Жолио-Кюри. Находясь в заключении, Хоутерманс дал согласие на сотрудничество с органами НКВД после своего возвращения в Германию. Это обстоятельство было чисто формальным. Хоутерманса, как сочувствовавшего коммунистам, немедленно арестовало гестапо.