В 1929 г. Оппенгеймер, закончив курс в Лейденском университете и Высшем техническом училище в Цюрихе, возвратился на родину. Молодым, талантливым, уже известным ученым-физиком заинтересовались сразу 10 американских университетов. Так как его здоровье в это время пошатнулось, врачи, опасаясь туберкулеза, рекомендовали ему пожить на западе США. Оппенгеймер поселился на ферме, расположенной в штате Нью-Мексико. К западу от фермы находился небольшой городок Лос-Аламос, в котором впоследствии под руководством Лесли Гровса успешно работала секретная лаборатория Манхэттенского округа. В течение 20 лет Оппенгеймер одновременно занимал пост ассистента профессора в Калифорнийском технологическом институте в Пасадине и в Калифорнийском университете в Беркли. Здесь он учился санскриту (восьмой язык, которым он владел) у знаменитого ученого-санскритолога А. Райдера. На вопрос о том, почему он выбрал университет в Беркли, Оппенгеймер отвечал: – «Меня привлекло туда несколько старых книг: коллекции французских поэтов XVI и XVII столетий в университетской библиотеке решили все».

Тесное общение с выдающимися физиками наложило отпечаток на всю биографию Оппенгеймера. Работая в области квантовой механики, ученый провел исследования новых свойств вещества и излучения, разработал метод расчета распределения интенсивностей по компонентам спектров излучения и создал теорию взаимодействия свободных электронов с атомами. В дальнейшем сфера его научных интересов переместилась в область физики атомного ядра. С момента открытия деления урана в 1939 г. Оппенгеймер постоянно интересовался изучением этого процесса и связанной с ним проблемой создания атомного оружия. С осени 1941 г. он участвовал в работе специальной комиссии Национальной академии наук США, обсуждавшей проблемы использования атомной энергии в военных целях. В то же время Оппенгеймер руководил группой теоретической физики, изучавшей пути создания, атомной бомбы.