1942年6月，美国陆军总部通过一项重要计划，这项计划的目的是研制大型杀伤性武器原子弹。这就是历史上有名的曼哈顿计划。原子弹的研制要利用核裂变反应，这是一项危险而艰难的任务。为了顺利完成这项计划，美国陆军总部将一众西方顶尖的科学家集中起来，陆续耗费20亿美元，动用10万多人历时3年才最终完成这一计划。1945年7月16日，随着一朵蘑菇云升上天空，世界上第一颗原子弹研制成功。除了这颗原子弹外，科学家们还制造出两颗实战原子弹。在研制原子弹的过程中，曼哈顿工程区司令莱斯利·理查德·格罗夫斯和国家实验室主任罗伯特·奥本海默采用系统工程的方法将研制原子弹的周期大大缩短，为整个计划的完成做出了巨大贡献，而曼哈顿计划的成功也促进了系统工程的发展。完成这项伟大计划，除了两位负责人的贡献外，起主要推动作用的人还有约翰·冯·诺依曼。
1943年年底，美国国家实验室主任罗伯特·奥本海默与冯·诺依曼亲切会面，并主动邀请他一同参加曼哈顿计划。罗伯特·奥本海默是“原子弹之父”，他在原子弹计划开展之前就充满信心。他在邀请冯·诺依曼之前，也邀请过许多别的科学家。不过，大多数科学家都对这一计划持怀疑态度，对于是否参与其中总是犹豫不决。然而，冯·诺依曼与他们不一样，通过预测，诺依曼认为曼哈顿计划成功的概率很高，所以他非常支持这一计划，在罗伯特·奥本海默第一次邀请他时，他就爽快地答应了。
作为一个出色的数学家，冯·诺依曼喜欢通过数学方法预测各类事件。在第二次世界大战开始时，他就预测过这次战争的胜负，为此他特意建立了一个数学模型，通过这个模型的演算，他认为最终盟军会获胜，原因在于盟军在工业上具有优势。冯·诺依曼也使用同样的方法预测过研制原子弹的成败，最终原子弹不出他所料地被顺利研制了出来。
冯·诺依曼是曼哈顿计划的重要功臣，他对整个计划而言至关重要，可以说如果没有他的参与，原子弹很难那么快被研制出来。从罗伯特·奥本海默赋予他的特权就能看出这一点。参与原子弹工作的科学家有很多，几乎所有科学家都被安排住在了洛斯阿拉莫斯，他们的行动受到一定限制，但冯·诺依曼并没有被限制在洛斯阿拉莫斯，他和少数几个科学家拥有较大的自由，可以住在他们想住的地方。
研制原子弹的一个技术难点是计算临界质量。临界质量的建立需要一定的条件，比如把两个二分之一临界质量的铀半球以一定方式拼接起来。若两个铀半球成功拼接在一起并达到临界质量，就会在极短时间内发生连锁反应，同时释放出巨大能量。但是，要确立临界质量十分困难，它需要完成大量的核心计算工作。而这项艰巨的工作最终落在了冯·诺依曼的身上。冯·诺依曼不负使命，他通过巧妙和艰苦的数学计算，最终确定了铀和钚的临界质量，为原子弹的爆聚反应埋下伏笔。
研制原子弹的另一个技术难点是快速拼接两个铀半球。当两个铀半球相互接近时，会因为蓓蕾反应而相互弹开，而要引发连锁反应需要将它们在极短的时间内拼接在一起。美国投放在日本广岛的代号为“小男孩”的原子弹，采用了“枪式触发装置”，即用一把“枪”自动将子弹形状的铀射入中空的铀球内，以达到临界值，引发连锁反应，从而发挥原子弹的威力。投放在日本长崎代号为“胖子”的原子弹是一颗内爆弹，它的触发效率要比“枪式”触发效率高。主要诱发方法是将炸药包裹住中空的钚球，在引爆炸药的同时，使钚球在极短时间内迅速压缩体积，从而达到临界值，实现核爆。“内爆式触发”比“枪式触发”更加困难，而冯·诺依曼正是这种方法的发明者。
冯·诺依曼用自己丰富的知识和卓越的才能为原子弹的成功研制做出了不可磨灭的贡献。而他的博弈论思想也在战争中大放异彩。第二次世界大战期间，博弈论被用于制定军事策略方面。冯·诺依曼有一个学生名叫梅里尔·佛勒德。他对冯·诺依曼的博弈论十分感兴趣，在着手研究原子弹在日本的投放地点问题时，他遇到了一个两难的博弈问题：若让轰炸机轰炸日军的重要目标，日军一定会根据预测设法提前拦截，这有可能使轰炸任务无法成功。若轰炸目标不够重要，就不能起到威慑作用，日军势必会强烈反扑。最终，梅里尔·佛勒德利用博弈论的方法成功制定出可行性轰炸策略，这一策略可使美军轰炸机被日军击落的概率最小化。
显然，没有冯·诺依曼的贡献，原子弹的研制便很难快速完成，如果原子弹不能及时被研制出来，第二次世界大战的战局就会受到影响。同时，博弈论的应用加快了战争结束的进程，在此方面，冯·诺依曼也有着不小的贡献。
冯·诺依曼的才能不仅体现在武器研制上，还体现于社会实践中。冯·诺依曼早在1928年就成功证明了博弈论的基本原理。从此以后，博弈论正式进入大众视野，成为生活和学术方面重要的科学研究手段。冯·诺依曼创立的博弈论是应用数学重要的方法之一，其在数学领域取得了令人瞩目的成就。现如今，博弈论被广泛应用于社会现象的研究中，它的基本思想主要用于研究多个主体之间的利益关系，侧重于竞争者之间的议价、交涉、合作、利益分配等问题。
虽然博弈论的思想自古有之，但真正得以确立是从冯·诺依曼1928年所写的博弈论论文开始。在这篇论文中，他以经典的两人博弈问题作为切入点，深入研究了各种博弈因素，并最终证明了最大最小定理。最大最小定理是指当两个人进行博弈时，任何一方若能在考虑每种可能策略所带来的最大损失的基础上，选择其中最小的一种，那么这种策略便是“最优策略”。因为从统计学上来看，以这样的方式确定的策略是最有利的。除了两人博弈外，冯·诺依曼还在同一篇论文中分析了多人博弈的一般对策。
冯·诺依曼的博弈论后来被广泛应用于经济学领域。经济学的研究大致可分为两类：一类是用于定性研究的纯粹理论；另一类是用于实证和统计的计量经济学。用于定性研究的纯粹理论又称为数理经济学，该经济学的建立开始于20世纪40年代，它的思想和方法很大程度上与博弈论相同，或受博弈论的影响。
在博弈论正式确立之前，传统数理经济学所采用的分析技巧一般是数学物理的技巧，它会将经济问题当作力学问题来处理，用微积分和微分方程予以解答。但是，如果用这种方法或工具解决现实的经济问题，就会遇到诸多的麻烦。例如，当几个商人聚在一起进行合作洽谈时，若用微积分、微分方程等经典数学工具分析和处理，就会使整个经济活动变得复杂化。所以经济领域急迫需要一种更高效的方法来解决问题。于是，冯·诺依曼的博弈论应运而生。冯·诺依曼用他的博弈理论让经济学问题变得具有预期性，从概率学上，保证了所能采用的最优策略满足维护当局者利益最大化的要求。冯·诺依曼放弃了简单的机械类比，把新颖的博弈论观点带入了大众视野，带入了经济学领域，他的贡献是巨大的，也是富有成效的，从不断发展的世界经济中，我们能够想见他天才的理论和身影。
1944年，一部伟大著作震惊了整个西方经济界。冯·诺依曼凭借他的《博弈论和经济行为》再次惊艳了世人。这是天才的数学家冯·诺依曼与天才的美国经济学家奥斯卡·摩根斯坦合作的一部作品。它将博弈论与经济学相结合，详细地勾勒了一幅幅博弈的场景，系统地阐述了博弈论在经济学中的应用。在这部著作中，冯·诺依曼对两人博弈和多人博弈进行了精彩的演绎，比较系统地将博弈的理论方法应用于经济实践，使得经济学有了对应的理论基础和理论体系。
这部著作不仅对博弈论进行了纯粹数学形式的解释，同时也对其进行了实际应用性的说明。该著作关于经济基本问题的详尽讨论在西方掀起了一场研究经济行为和社会学问题的浪潮。时至今日，博弈论已经成为一门被广泛应用的数学学科，人们称它为“20世纪前半期最伟大的科学贡献之一”。
第二次世界大战爆发后，冯·诺依曼由于工作原因，活动范围也不断扩大，仅仅一个普林斯顿显然已无法彻底留住他的身心。他除了在1943年参与原子弹的研制计划外，还参与了多项科学研究计划，并于战后在政府的重要部门任职。1954年，美国政府聘请他加入原子能委员会，他后来成为美国原子能委员会不可多得的高级人才。美国原子能委员会主席斯特劳斯十分欣赏冯·诺依曼的才能，很快与他成为挚友，这份友谊一直延续了多年。后来，斯特劳斯对他评价道：“从1954年接受任命到1955年深秋这一年间，冯·诺依曼向我们展示了他卓越的才能，他似乎可以把每一件事都干得非常漂亮。再困难的问题一旦到了他的手里，似乎都不是问题。他的能力令人望尘莫及，一切困难的事在他面前都将被化解成一件件简单的事情，他用不可思议的方法把原子能委员会的工作做得游刃有余。”
一直以来，冯·诺依曼的身体都很好，他总能在工作上保持足够的热情和精力。但是，随着年龄的增长，以及长时间高强度的工作，让他越来越感到力不从心。1954年是他工作上的一个转折点，尽管他依然对工作保持着高度的热情，但是不堪重负的身体却时刻提醒他要注意休息。他开始变得容易疲乏，做任何事情都缺乏力气和精力。1955年夏天，冯·诺依曼在检查身体时，查出患有癌症。为此，他不得不停止工作。随着病势的蔓延，他的身体越来越差，以至于坐上了轮椅。但是，身体上的疾病无法阻止他思想上的工作，他依然能够思考，他一边参加会议，一边不断演说，试图用自己的理论让更多人受益。
然而，无情的病魔长期折磨着他的身心，他的活动也越来越少，最终他再也无法外出活动。他在华盛顿有名的沃尔特·里德医院接受治疗。1957年2月8日，这位伟大的天才在医院病逝，辉煌人生戛然而止。
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