Niedługo później, w czasie wielkiego kryzysu, przyjął stanowisko badawcze w harvardzkim programie geologii eksperymentalnej i geofizyki, mimo że wcześniej nie specjalizował się w geologii.
Projekt Manhattan mały|Birch (po lewej) przy pracy nad bombą Little Boy W 1942 roku Birch przerwał pracę uniwersytecką i przeszedł do w Massachusetts Institute of Technology, gdzie pracował nad . Następnie został oficerem United States Navy, a w 1943 roku trafił do Los Alamos Laboratory w ramach projektu Manhattan. W Wydziale Uzbrojenia () pracował nad bombą typu działowego, czyli konstrukcją łączącą ładunek rozszczepialny metodą przypominającą wystrzał z działa. Po zarzuceniu projektu uczestniczył w rozwoju mniejszej bomby uranowej Little Boy. Nadzorował jej produkcję, udał się na Tinian i uczestniczył w przygotowaniu oraz załadowaniu bomby na samolot Enola Gay. Do tej jednej bomby trafił cały wyprodukowany w Stanach Zjednoczonych zapas wysoko wzbogaconego uranu (ok. 64 kg);