Dort beteiligte er sich während des Weltkriegs am Manhattan-Projekt, der Entwicklung der ersten Atombombe. Seine damals bereits entwickelte Idee für eine H-Bombe wurde ab 1949, dem Jahr des ersten sowjetischen Atombombentests, von der US-Regierung forciert und führte schließlich zur Zündung von „Ivy Mike“, der ersten Wasserstoff-Bombe, am 1. November 1952.
In der Sowjetunion wurde die Entwicklung der H-Bombe unter Federführung von Andrei Sacharow (1921-1989) vorangetrieben. Sacharows sogenannte „Dritte Idee“ entsprach der von Teller entwickelten zweistufigen Konfiguration der Bombe. Am 12. August 1953 zündete die UdSSR erstmals eine H-Bombe. Sacharow entwickelte sich später zum Kritiker der atomaren Rüstung, für sein Eintreten für Menschenrechte und Demokratie wurde er 1975 mit dem Friedensnobelpreis geehrt.