Клаус Фукс в июне 1945 года передал детальное описание плутониевой бомбы, но Юлий Харитон и его сотрудники стремились проверить всё сами, потому что не могли быть полностью уверены в достоверности полученных сведений. Для изучения метода имплозии они должны были выполнить многократные эксперименты с высокоэффективными взрывчатыми материалами, а этого нельзя было сделать в Лаборатории № 2, расположенной на окраине Москвы. Поэтому Курчатов решил организовать филиал в местности, достаточно отдаленной от столицы, где можно было бы спокойно заняться работами по проектированию и изготовлению бомбы.
Возглавил новую организацию Юлий Харитон, при этом он не пожелал возложить на себя обязанности по административному руководству, чтобы не упускать возможность полностью сконцентрироваться на решении научно-технических задач. По совету Курчатова он обратился к Лаврентию Берии, который назначил на должность административного директора генерал-майора Павла Михайловича Зернова – заместителя народного комиссара танковой промышленности. До этого Зернов и Харитон не знали друг друга, но между ними сразу установились хорошие деловые отношения.
Борис Ванников предложил им осмотреть некоторые заводы по производству боеприпасов – в поисках подходящего места для размещения новой организации, которая позднее стала известна как Конструкторское бюро № 11 (КБ-11) при Лаборатории № 2 АН СССР. В апреле 1946 года Зернов и Харитон побывали в небольшом поселке Сарове, расположенном на границе Горьковской области и Мордовской автономной республики. Население Сарова составляло около трех тысяч человек; там находилась небольшая фабрика № 550, выпускавшая в годы войны снаряды для реактивных установок залпового огня «БМ» («катюша»).
Существенным преимуществом Сарова было то, что этот поселок располагался на краю большого лесного заказника; это позволяло расширять площади для проведения работ. Кроме того, место располагалось на достаточном удалении от основных путей сообщения, что было важно с точки зрения секретности, но было и не слишком далеко от Москвы. Поселок, быстро превратившийся в небольшой производственный центр атомного проекта, стал известен как Арзамас-16 – по городу Арзамасу, расположенному в шестидесяти километрах севернее. Иногда его называли «Волжское бюро», а также, по понятным причинам, «Лос-Арзамасом».
В центре Сарова находились остатки православного монастыря, расцвет которого пришелся на XVIII и XIX века. Причисленный к лику святых Серафим Саровский, известный своим аскетизмом и милосердием, жил здесь около пятидесяти лет, вплоть до своей кончины в 1833 году. Саровский монастырь был закрыт коммунистами в 1927 году. Когда Харитон и его группа приехали туда, в поселке еще сохранилось несколько церквей со строениями, в которых находились кельи монахов. Именно в этих кельях и были оборудованы первые лаборатории. Заключенные из располагавшегося неподалеку исправительно-трудового лагеря построили новые лабораторные корпуса и жилые дома.
В отличие от них, ученым и инженерам, поселившимся в охраняемой зоне, были обеспечены привилегированные условия жизни. Они были защищены от ужасных экономических условий, в которых жила остальная разоренная войной страна. Арзамас-16, в сравнении с полуголодной Москвой, представлялся курортом. Сотрудники проекта, как вспоминал один из участников работ Лев Владимирович Альтшулер, «жили очень хорошо. <…> Ведущим сотрудникам платили очень большую по тем временам зарплату. Никакой нужды наши семьи не испытывали. И снабжение было совсем другое. Так что все материальные вопросы сразу же были сняты».
Наряду с имевшимися привилегиями работа ученых-ядерщиков проходила в обстановке строгой секретности и придирчивого контроля со стороны органов госбезопасности. Арзамас-16 был отрезан от остального мира. Зона площадью в 250 квадратных километров была окружена колючей проволокой; в первые годы было трудно получить разрешение хотя бы на время покинуть ее. Разумеется, физики могли говорить о своей работе только с теми, кто был к ней допущен, и не имели возможности публиковать какие-либо материалы о своих достижениях. Отчеты писались вручную, так как не доверяли даже машинисткам. Если всё же документы приходилось печатать, как это было, например, с техническим заданием для первой атомной бомбы, то ключевые слова вписывались в текст лично конструкторами. Вместо научных терминов в лабораторных записях использовались кодовые слова. Так, например, нейтроны назывались «нулевыми точками». При этом информация строго разграничивалась. В 1949 году, во время первого визита будущего академика Андрея Дмитриевича Сахарова в Арзамас-16, Яков Зельдович сказал ему: «Тут кругом все секретно, и чем меньше вы будете знать лишнего, тем спокойней будет для вас».