Основные работы по строительству предприятий атомной промышленности выполняли инженерные войска НКВД и 300 тыс. заключенных системы ГУЛАГа. По данным на 9 августа 1948 г., в СССР строилось 62 предприятия для выполнения научно-исследовательских работ и изготовления оборудования, добычи руды, производства металлического урана и тория, обеспечения реакторов замедлителями и шестифтористым ураном, производства плутония и урана-235. Общая сметная стоимость этих объектов составила 12 млрд. руб., из них на 1 января 1949 г. должно быть реализовано 7,5 млрд руб. Кроме того, планировалось в 1949 г. начать строительство двух новых металлургических заводов общей стоимостью 1,0 млрд. руб. и двух новых радиофизических заводов стоимостью около 6,0 млрд. руб. С конца 1945 по август 1949 г. только Главпромстроем НКВД — МВД было построено 35 крупных специальных объектов, 5400 зданий с общей площадью 800 тыс. кв. метров. НКВД был также организатором геологической разведки и добычи урансодержащих руд.
К концу 1945 г. в СССР круглосуточно работало 12 геологоразведочных партий. В 1950 г. их было уже 270, разведку вели около 15 тыс. геологов, а суммарная длина пройденных шахт и скважин составила 1600 км. К 1948 г. на территории страны были открыты крупные месторождения урана и организована его добыча в масштабах, полностью обеспечивающих потребности атомного проекта. Головным предприятием в СССР по добыче урановой руды и рафинированию (очистке) урана был комбинат № 156 в Таджикистане, куда входили 7 рудников и 5 заводов.
25 декабря 1946 г. И.В. Курчатов запустил опытный урано-графитовый реактор в Москве и осуществил на нем цепную ядерную реакцию деления. Это было событием фундаментального научного и практического значения, важнейшим этапом создания первого промышленного реактора для получения плутония. Работы по созданию опытного реактора велись с марта 1943 г., важную роль в его пуске сыграл трофейный уран. В СССР изготовление металлического урана и рабочих блоков из него для последующей загрузки в реактор осуществлялось на заводе № 12 в г. Электросталь, ставшем впоследствии лидером в производстве ядерного топлива для АЭС, атомных ледоколов и подводных лодок.
Старт работам по созданию промышленного реактора был дан 1 декабря 1945 г., когда было принято решение о создании комбината № 817 (Челябинск-40, ныне ПО «Маяк»), включавшем промышленный реактор и два завода: радиохимический (по выделению плутония из облученного в реакторе урана) и металлургический (по производству плутония и плутониевых деталей). Директором комбината был Б.Г. Музруков, научным руководителем — Н.А. Доллежаль. Промышленный ядерный реактор был запущен в июне 1948 г., тогда же введен в эксплуатацию завод по производству плутония. Началось накапливание продукции для первого ядерного заряда. Позднее были пущены в ход новые реакторы, построенные в Челябинске-40, Томске-7, Красноярске-26.