科学发展到20世界30年代中期，核物理成了热门，世界各地的科学家几乎都转向了这个领域，致使核物理学飞速发展。其中，玻尔的研究处于世界领先地位。

玻尔认为：原子核具有复合成分，因此核反应是分两步进行的。首先，闯入的中子和原子核内的一个质子或中子碰撞。不过，这个粒子不会被撞出原子核，相反它将撞击另一个粒子，这另一个粒子也会撞击别的粒子，直到所有的粒子都运动起来。这时，闯进来的那个中子原来所具有的能量，就转移到了这些粒子上面，接着这个系统就要采取一种行动，以摆脱这部分多余的能量。他又一次发现了原子的结构，又一次发现了并协原理。他提出了如何验证这一设想的所谓“复合原子核”的方法。对复合原子核这一概念，花了好几个月的时间才得到充分的发展。不过，正像牛顿和达尔文的发展一样，突如其来的见识与长时间的审核事实，再一次创造了科学史上又一个最伟大的进展。

玻尔继续向前展望，如果原子核受到了更猛烈的冲击，可能导致原子核的爆炸。

1938年，玻尔去美国同爱因斯坦合作，在途中和抵美不长的一段时间里，又完成了解释原子核裂变现象和裂变碎片具有放射性的实验。他写出了概论性的论文，对整个过程的理论进行了推导和说明。不久，他又揭示了铀的复杂现象，提出：只有质量数为235的这种稀有同位素才能由慢中子引起裂变；而质量数为238的半度同位素则不能。这种差别仅仅是由于两种同位素含的中子数不同。这个发现，直接提出了释放出巨大核能的链式反应的可能性。

1939年9月3日，第二次世界大战爆发，整个世界都卷入了战争的漩涡。1940年4月，德国占领了丹麦，玻尔落入德国人手中。

纳粹急于想利用玻尔尽快研制出原子武器，所以继续让他从事研究，并且从中索取秘密。但是，有关原子的研制，许多科学家认为在实际中因为存在许多困难，例如难以提炼大量的铀，难以控制反应速度等，所以认为原子弹难以造成。就在这种情况下，玻尔指出慢中子裂变应归于稀有的同位素铀235，又是玻尔发明了有效分离同位素的方法，这就使得制造原子弹成为可行的事情。