Одновременно с изучением открытой им изомерии Курчатов ведет другие опыты с нейтронами. Вместе с Л.А. Арцимовичем он проводит серию исследований поглощения медленных нейтронов и добиваются фундаментальных результатов. Им удается наблюдать захват нейтрона протоном с образованием ядра тяжелого водорода – дейтона и надежно измерить течение этой реакции. Курчатов ищет ответ на главный вопрос: происходит ли размножение нейтронов в различных композициях урана и замедлителя. Эту тонкую экспериментальную задачу Курчатов поручил своим молодым сотрудникам (впоследствии академикам) Флерову и Петржаку, и они блестяще ее выполнили. В начале 1940 года Флеров с Петржаком подали краткое сообщение об открытом ими новом явлении – самопроизвольном делении урана – в американский журнал «Физикл ревю», в котором печаталось большинство сообщений об уране. Письмо было опубликовано, но проходили неделя за неделей, а отклика все не было. Американцы засекретили все свои работы по атомному ядру.

Мир вступил во Вторую мировую войну. Намеченная Курчатовым программа научных работ была прервана, и вместо ядерной физики он начинает заниматься разработкой систем размагничивания боевых кораблей. Созданная его сотрудниками установка позволила защитить военные корабли от немецких магнитных мин. Только в 1943 году, когда будущий академик Г. Флеров написал письмо самому Сталину, исследования атомной энергии были возобновлены. В том же году Игорь Васильевич возглавил советский атомный проект.

Научная работа по созданию атомного оружия быстро расширялась. 1945 год ознаменовался пуском циклотрона, чудом построенного всего лишь за год. Вскоре был получен первый поток быстрых протонов. Курчатов собирает у себя дома участников его пуска и поднимает бокал шампанского за первую победу нового коллектива.