Уже с сентября 1941 года в СССР начала поступать разведывательная информация о проведении в Великобритании и США секретных интенсивных научно-исследовательских работ, направленных на разработку методов использования атомной энергии для военных целей и создание атомных бомб огромной разрушительной силы. Одним из наиболее важных, полученных ещё в 1941 году советской разведкой, документов является отчёт британского «Комитета MAUD». Из материалов этого отчёта, полученного по каналам внешней разведки НКВД СССР от Дональда Маклина, следовало, что создание атомной бомбы реально, что вероятно она может быть создана ещё до окончания войны и, следовательно, может повлиять на её ход.

Разведывательная информация о работах по проблеме атомной энергии за рубежом, имевшаяся в СССР к моменту принятия решения о возобновлении работ по урану, была получена как по каналам разведки НКВД, так и по каналам Главного разведывательного управления Генерального штаба (ГРУ) Красной армии.

В мае 1942 года руководство ГРУ информировало Академию наук СССР о наличии сообщений о работах за рубежом по проблеме использования атомной энергии в военных целях и просило сообщить, имеет ли в настоящее время эта проблема реальную практическую основу. Ответ на указанный запрос в июне 1942 года дал В. Г. Хлопин, который отметил, что за последний год в научной литературе почти совершенно не публикуются работы, связанные с решением проблемы использования атомной энергии.

Официальное письмо главы НКВД Л. П. Берия на имя И. В. Сталина с информацией о работах по использованию атомной энергии в военных целях за рубежом, предложениями по организации этих работ в СССР и секретном ознакомлении с материалами НКВД видных советских специалистов, варианты которого были подготовлены сотрудниками НКВД ещё в конце 1941 — начале 1942 годов, было отправлено И. В. Сталину только в октябре 1942 года, уже после принятия распоряжения ГКО о возобновлении в СССР работ по урану.

Советская разведка имела подробные сведения о работах по созданию атомной бомбы в США, исходившие от специалистов, понимавших опасность ядерной монополии или сочувствующих СССР, в частности, Клауса Фукса, Теодора Холла, Жоржа Коваля и Давида Грингласа. Однако решающее значение, как полагают некоторые, имело адресованное Сталину в начале 1943 года письмо советского физика Г. Флёрова, который сумел разъяснить суть проблемы популярно. С другой стороны, имеются основания предполагать, что работа Г. Н. Флёрова над письмом Сталину завершена не была и отправлено оно не было.[4]

Охота за данными уранового проекта Америки началась по инициативе начальника отдела научно-технической разведки НКВД Леонида Квасникова еще в 1942 году, но полностью развернулась только после прибытия в Вашингтон знаменитой пары советских разведчиков: Василия Зарубина и его жены Елизаветы. Именно с ними взаимодействовал резидент НКВД в Сан-Франциско Григорий Хейфиц, сообщивший, что виднейший физик Америки Роберт Оппенгеймер и многие его коллеги выехали из Калифорнии в неизвестное место, где будут заниматься созданием какого-то сверхоружия.

Перепроверить данные «Харона» (таким было кодовое имя Хейфица) было поручено подполковнику Семену Семенову (псевдоним «Твен»), работавшему в США с 1938 года и собравшего там большую и активную агентурную группу. Именно «Твен» подтвердил реальность работ по созданию атомной бомбы, назвал код Манхэттенского проекта и местонахождение его главного научного центра — бывшей колонии для малолетних преступников Лос-Аламос в штате Нью-Мексико. Семенов также сообщил фамилии некоторых ученых, работавших там, которые в своё время были приглашены в СССР для участия в больших сталинских стройках и которые, вернувшись в США, не потеряли связей с крайне левыми организациями.

Основных же руководителей Манхэттенского проекта удалось установить Елизавете Зарубиной (агентурный псевдоним «Вардо»).

Павел Судоплатов в книге «Спецоперации. Лубянка и Кремль 1930—1950 годы» давал ей следующую характеристику:

«Лиза Зарубина была выдающейся личностью. Обаятельная и общительная, она легко устанавливала дружеские связи в самых широких кругах. Элегантная женщина классической красоты, натура утонченная, она как магнит притягивала к себе людей, не только мужчин, но и женщин. Лиза была одним из самых высококвалифицированных вербовщиков агентуры. Она прекрасно владела английским, немецким, французским и румынским языками, понимала испанский и итальянский. Лиза выглядела типичной представительницей Центральной Европы, хотя и была румынской еврейкой. Она могла до неузнаваемости менять свою внешность и манеру поведения…
Именно „Вардо“ сумела сделать, пожалуй, решающий вклад в получение точной и оперативной информации о ходе работ в Лос-Аламосе и технических данных по устройству атомных бомб. Её главной заслугой явилось внедрение в мозговой центр Манхэттенского проекта выдающегося физика, завербованного советской военной разведкой, Клауса Фукса, который был передан на связь супругам Зарубиным.
После своего приезда в США, Лиза подружилась с любовницей Альберта Эйнштейна, женой известного русского скульптора Конёнкова Маргаритой, по простоте душевной рассказавшей Лизе о том, что у Эйнштейна бывают главные лица Манхэттенского проекта: Роберт Оппенгеймер, Энрико Ферми, Лео Силард и другие. Под давлением „Вардо“ Маргарита познакомила её и сотрудника резидентуры Пастельняка с Оппенгеймером и его женой Кэтрин.
Ставши своими в семье научного руководителя проекта, советские разведчики уговорили его добиться перевода в Лос-Аламос Клауса Фукса, который и стал главным источником научно выверенной информации для Москвы. Но и, кроме того, Лиза близко сошлась с еще одним крупнейшим ученым в атомном проекте, Силардом, и убедила его допустить в этот проект несколько завербованных специалистов, в том числе — Мортона Собелла, Теодора Холла и Дэвида Грингласса. Последний стал работать механиком в лаборатории Лос-Аламоса. Еще одним весьма важным агентом был итальянский эмигрант, физик Бруно Понтекорво».

Таким образом и были внедрены советские агенты в научные и конструкторские центры Америки, где создавался ядерный боеприпас. Однако в самый разгар налаживания агентурных действий, Лиза и Василий Зарубины были срочно отозваны в Москву. Они терялись в догадках, ведь ни одного провала не произошло. Выяснилось, что в Центр поступил донос сотрудника резидентуры Миронова, обвинявшего Зарубиных в предательстве. И почти полгода московская контрразведка проверяла эти обвинения. Они не подтвердились, тем не менее, Зарубиных больше за границу не выпускали.

Тем временем, работа внедренной агентуры уже принесла первые результаты — стали поступать донесения, и их надо было немедля отправлять в Москву. Эта работа была возложена на группу специальных курьеров. Самыми оперативными и не знавшими страха были супруги Коэны, Морис и Лона. После того, как Мориса призвали в американскую армию, Лона стала самостоятельно доставлять информационные материалы из штата Нью-Мексико в Нью-Йорк. Для этого она ездила в небольшой городок Альбукерке, где для видимости посещала туберкулезный диспансер. Там она встречалась с агентами по агентурной кличке «Млад» и «Эрнст».

По воспоминаниям П. Судоплатова уже через 12 дней после окончания сборки первой атомной бомбы в США описание её устройства уже было получено в Москве.

В 1945 году туда же пришли подробнейшие документы о характеристиках испытательного взрыва на горе Аламогордо, о методах активации атомной бомбы, а также доклад об электромагнитном методе разделения изотопов урана.

Почти все материалы проекта передавались в зашифрованном виде по радио. Но, хотя американская служба радиоперехвата записывала их тексты регулярно, её пеленгаторы не могли обнаружить местоположение шпионских раций, а дешифровщики — раскрыть содержание радиограмм. Это удалось только через несколько лет, после осуществления проекта «Венона», когда с помощью новых мощных вычислительных машин, перехваченные тексты были раскодированы.

Павел Судоплатов, начальник группы «С», созданной НКВД в 1944 году для координирования работы разведки в сфере атомных исследований, писал в книге «Спецоперации. Лубянка и Кремль 1930—1950 годы»:

Качество и объем полученной нами информации от источников в Великобритании, Канаде и США были крайне важны для организации и развития советской атомной программы. Подробные доклады об устройстве и эксплуатации первых атомных реакторов и газовых центрифуг, по специфике изготовления урановой и плутониевой бомб сыграли важнейшую роль в становлении и ускорении работы наших атомщиков, потому что целого ряда вопросов они просто не знали.

Это, в первую очередь, касается конструкции системы фокусирующих взрывных линз, размеров критической массы урана и плутония, сформулированного Клаусом Фуксом принципа имплозии, устройства детонационной системы, времени и последовательности операций при сборке самой бомбы и способа приведения в действие её инициатора… Атомная бомба в СССР была создана за 4 года. Если бы не разведчики, этот срок был бы в два раза больше….

… Сегодня, однако, достоверно известно, что первая советская атомная бомба (РДС-1) была до мельчайших деталей скопирована с американской плутониевой, сброшенной на Нагасаки…