В 1940 г. Георгий Флёров и Константин Петржак сделали фундаментальное открытие – спонтанное деление урана. Оно стало исходным пунктом для новой области ядерной физики. Сообщение об открытии Флёров и Петржак отправили в том числе в американской журнал «Physical Review». Письмо было опубликовано, и, хотя это было серьезное открытие, откликов на него в американской печати не появилось. Уже в разгар войны, осенью 1942‐го, в журнале «Доклады Академии наук СССР» была опубликована статья «К работам «Спонтанное деление урана» и «Спонтанное деление тория».
А работа ученых была удостоена Государственной премии первой степени уже после войны, в 1946 г., когда открытие уже было близко к практической реализации.
Обращения наших ученых и сообщения разведки о начале работ над созданием ядерного оружия в США в конце концов подтолкнули руководство страны принять решение о начале аналогичных работ в СССР. Осенью 1942 г. вышли распоряжение Государственного комитета обороны (ГКО) СССР «Об организации работ по урану» и постановление «О добыче урана». А весной 1943‐го принято распоряжение ГКО «О дополнительных мероприятиях в организации работ по урану», Игорь Курчатов назначен начальником лаборатории № 2 АН СССР (ныне РНЦ «Курчатовский институт»).
Курчатов добивается, чтобы комиссия при Совете народных комиссаров СССР по освобождению и отсрочкам призыва отозвала Георгия Флёрова с фронта. Это было сделано. Однако отсрочка ученому давалась только на 1942 г.
И тогда в судьбу Флёрова вмешивается его учитель академик Иоффе, которого Флёров в одном из своих писем обвинял в приостановке работ по урану. Абрам Федорович знает об этом, но по просьбе Курчатова как вице-президент АН СССР обращается к Сергею Кафтанову с просьбой о демобилизации Флёрова и его «привлечении к разработке проблемы урана в СССР».
И в 1943 г. Флёров под руководством Курчатова приступает к работе в лаборатории № 2 АН СССР, где снова начинает заниматься проблемой физики деления ядер тяжелых элементов.
Георгий Николаевич принимает самое активное участие в этих работах. Их итогом стало создание ядерного оружия и ядерной энергетики в Советском Союзе. Заслуги Флёрова были высоко оценены. В 1949 г., после испытания советской атомной бомбы, ему присваивается звание Героя Социалистического Труда и присуждается Государственная премия. В 1953‐м его избирают членом-корреспондентом АН СССР а в 1968‐м – академиком АН СССР.
В дальнейшем Флёров отходит от работ по ядерному оружию, но продолжает заниматься ядерной физикой. С 1953 г. научные интересы Георгия Николаевича связаны в основном с развитием нового направления в ядерной физике – исследования процессов, происходящих при столкновении сложных ядер, и фундаментальной проблемы синтеза новых химических элементов. Были начаты работы по созданию мощного источника многозарядных ионов, и в 1955 г. в Институте атомной энергии на 150‐сантиметровом циклотроне впервые в мире были получены интенсивные моноэнергетические пучки ионов углерода, азота и кислорода с энергией, превышающей кулоновский барьер ядер самых тяжелых элементов. Первые опыты, проведенные Флёровым с небольшим коллективом молодых физиков, показали уникальные возможности ядерных реакций, вызываемых тяжелыми ионами, для исследований в самых разных областях.
В 1955–1959 гг. под руководством Флёрова был проведен цикл исследований по выяснению основных особенностей реакций между сложными ядрами. По предложению и при активной поддержке Курчатова было решено расширить фронт исследований на пучках тяжелых ионов и создать уникальный по тому времени циклотрон У-300.