Новый серьёзный импульс атомному проекту был придан 20 августа 1945 г. образованием по личной инициативе И.В. Сталина Специального комитета при ГКО, а затем при СНК СССР по реализации советского аналога американского уранового проекта. В состав этого Комитета вошли три члена высшего политического руководства страны — председатель Оперативного бюро СНК СССР Лаврентий Павлович Берия (председатель Комитета), секретарь ЦК ВКП(б) Георгий Максимилианович Маленков и председатель Госплана СССР Николай Алексеевич Вознесенский, а также крупнейшие организаторы военного производства — Борис Львович Ванников, Авраамий Павлович Завенягин, Михаил Георгиевич Первухин и Василий Алексеевич Махнёв (секретарь Комитета) и два выдающихся советских физика — академики Игорь Васильевич Курчатов и Пётр Леонидович Капица.
Для предварительного рассмотрения научных и технических вопросов, выносимых на обсуждение этого Комитета, создавались две структуры: 1) Технический совет под председательством генерал-полковника Б.Л. Ванникова, в состав которого вошли два доверенных лица главы Спецкомитета генералы А.П. Завенягин и В.А. Махнёв, а также крупнейшие советские физики — академики и член-корреспонденты АН СССР В.Г. Хлопин, А.И. Алиханов, А.Ф. Иоффе, П.Л. Капица, И.В. Курчатов, И.К. Кикоин и Ю.Б. Харитон, и 2) Инженерно-технический совет под председательством наркома химической промышленности М.Г. Первухина, членами которого были утверждены нарком транспортного машиностроения В.А. Малышев, заместитель наркома внутренних дел А.П. Завенягин, заместитель наркома электропромышленности Г.В. Алексенко, заместитель наркома химической промышленности А.Г. Касаткин и учёный секретарь ИТС (а затем и всего НТС) Б.С. Поздняков.
Непосредственное руководство всеми научно-исследовательскими, проектными и конструкторскими бюро, организациями и промышленными предприятиями, решавшими атомную проблему, осуществляло Первое Главное управление (ПГУ) при ГКО (а затем СНК СССР), также созданное специальным распоряжением ГКО от 20 августа 1945 года № 9887сс/оп «О Специальном комитете при ГКО, учреждаемом для руководства всеми работами по использованию внутриатомной энергии урана». Руководителем ПГУ был назначен знаменитый сталинский нарком генерал-полковник Борис Львович Ванников, освобождённый от обязанностей народного комиссара боеприпасов. Помимо него в руководящий состав ПГУ вошли пять его заместителей, в том числе заместитель наркома внутренних дел СССР Авраамий Павлович Завенягин, который курировал работу спецконтингента; заместитель председателя Госплана СССР Николай Андреевич Борисов, отвечавший за исполнение всех работ, связанных со снабжением и финансированием атомного проекта; заместитель начальника Главного управления контрразведки (СМЕРШ) НКО СССР Павел Яковлевич Мешик, отвечавший за режим секретности всех работ и охрану всех промышленных объектов, заместитель члена ГКО Пётр Яковлевич Антропов, отвечавший за разведку и добычу запасов урановых и ториевых руд на территории Советского Союза и стран Восточной Европы, и заместитель наркома химической промышленности СССР Андрей Георгиевич Касаткин, курировавший соответствующие работы по предприятиям своей отрасли. Окончательно структура и штат ПГУ были сформированы Б.Л. Ванниковым и утверждены на заседании Специального комитета за подписью Л.П. Берии 24 августа 1945 г. Причём в распоряжении ГКО особо подчёркивалось, что никакие организации, учреждения и должностные лица без особого разрешения ГКО не имеют права вмешиваться в административно-хозяйственную и оперативную деятельность ПГУ, любых его предприятий и учреждений и требовать каких-либо справок о работах, выполняемых по его заказам. Кроме того, этим же распоряжением ГКО в рамках Первого Главного управления НКВД СССР создавалась спецразведка «для получения более полной технической и экономической информации об урановой промышленности и атомных бомбах», руководителем которой был назначен первый заместитель главы ПГУ генерал-майор госбезопасности Гайк Бадалович Овакимян, лично отвечавший за обеспечение советских учёных атомными секретами США и Великобритании посредством знаменитой агентурной операции, получившей кодовое название «Проект Энормоз». В рамках этой операции были задействованы 14 особо ценных агентов из числа иностранных граждан, среди которых были Клаус Фукс, Юлиус и Этель Розенберги, Моррис и Леонтина Коэны и другие агенты, завербованные зарубежной резидентурой. В ходе всей операции, продолжавшейся несколько лет, советские разведчики добыли огромное количество секретных документов общим объёмом 12 тысяч листов.