بعد حصوله على الدكتوراه عمل أوبنهايمر مدرسا في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في الولايات المتحدة.
وفي عام 1928، عمل محاضرا في معهد بول إهرنفست في جامعة لايدن بهولندا، ثم سافر إلى سويسرا للعمل في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا.
عاد الفيزيائي الأميركي إلى بلاده، وعين أستاذا مشاركا في الكيمياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي وعمل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
وأثناء ذلك، أصبح صديقا مقربا للعالم الفيزيائي إرنست لورنس الحاصل على
جائزة نوبللاختراعه المسرع الدوراني.
كما أسهم أوبنهايمر في تبادل المعرفة وطور أبحاثا في علم الفلك والفيزياء النووية وعلم الأطياف وميكانيكا الكم والأشعة الكونية والنشاط الإشعاعي الاصطناعي والفيزياء الفلكية والفيزياء الحيوية والثقوب السوداء ونظرية مجال الكم.
وفي عام 1936 رقته جامعة كاليفورنيا إلى أستاذ متفرغ، وطلبت منه تقليص فترة تدريسه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا.
في يونيو/حزيران 1942، انضم إلى مختبر شيكاغو متروبوليتان للعمل في مجال فيزياء النيوترونات السريعة، وشكل مجموعة دراسة نظرية لتعلم مبادئ تصميم القنابل.
غداة اندلاع
الحرب العالمية الثانية عام 1939، وخوفا من امتلاك ألمانيا
النازية السلاح النووي بعد اكتشاف مخططها لإنتاجه، سارعت الولايات المتحدة إلى تأسيس مشروع تطوير القنبلة الذرية (مانهاتن) بقيادة الجنرال ليزلي غروفز.
وفور انطلاق المشروع، كلف أوبنهايمر في 15 أكتوبر/تشرين الأول 1942 بالإشراف العلمي عليه عبر قيادة المختبر المركزي لأبحاث وتصميم فيزياء الأسلحة (لوس ألاموس) الشديد السرية في صحراء ولاية نيو مكسيكو الأميركية.
وفي العام التالي، منح أوبنهايمر تصريحا أمنيا بالاطلاع على المعلومات والأسرار المتعلقة بالأمن القومي الأميركي.
أصبح أوبنهايمر يسابق الزمن خشية أن يسبقه الألمان إلى إنتاج السلاح النووي، فأسفرت جهوده يوم 16 يوليو/تموز 1945 عن تجربة ترينيتي (الثالوث)، وهي أول تفجير نووي في التاريخ، تبعه إنتاج قنبلتي "
ليتل بوي" (الولد الصغير) و"فات مان" (الرجل البدين) الذريتين اللتين ألقتهما بلاده على مدينتي هيروشيما وناغازاكي اليابانيتين يومي السادس والتاسع من أغسطس/آب 1945.
وفي 17 أكتوبر/تشرين الأول 1945، استقال من إدارة مختبر "لوس ألاموس"، وعاد للعمل في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، وفي العام نفسه شغل عضوية الجمعية الفلسفية الأميركية.
ومن عام 1947 إلى عام 1966، تولى إدارة معهد الدراسات المتقدمة في جامعة برينستون
بولاية نيوجيرسي الأميركية، وأثناء ولايته حفز النقاش والبحث في فيزياء الكم والنسبية.
ومن عام 1947 حتى عام 1952، تولى رئاسة اللجنة الاستشارية العامة لهيئة الطاقة الذرية. ومن هذا المنصب، قدم المشورة في عدد من القضايا المتعلقة
بالطاقة النووية، بما في ذلك تمويل المشاريع، وبناء المختبرات، والتسلح الدولي.