原子博士的关注聚焦于奥本海默的工作，以及他与在新墨西哥洛斯阿拉莫斯国家实验室——首个原子弹试验基地的科学家团队。从筹备阶段直至首次爆炸，随着时间紧迫、有利条件渐少，各项建设紧张进行。在此期间，奥本海默和他团队的工作人员一方面要应对重重困难，另一方面也在为“小工具”（原子弹）的道德意义而苦苦挣扎，同时还要面对全球毁灭的巨大可能性。