W 1944 r. przeprowadził się do Nowego Meksyku, by pracować w Los Alamos National Laboratory w grupie w Projekcie Manhattan, ściśle tajnym programie budowy broni jądrowej prowadzonym przez rząd Stanów Zjednoczonych.
Incydent w Los Alamos thumb|250px|Szkic sytuacyjny incydentu w Los Alamos W Los Alamos odpowiadał za prowadzenie szacunków mas krytycznych, najpierw w ramach projektów Otto Frischa, gdzie stosowany był izotop uranu, a później na rdzeniach Pu-239. Większość z przeprowadzanych badań opierała się na eksperymentalnym doprowadzaniu stopniowo coraz większych mas materiałów rozszczepialnych do poziomów bliskich krytyczności.
21 maja 1946 roku Slotin oraz kilku innych badaczy brało udział w kolejnym eksperymencie z rdzeniem plutonu, pierwotnie przeznaczonym do wykorzystania w trzeciej bombie atomowej do zrzucenia nad Japonią. Podczas prac Slotin używał śrubokrętu do utrzymywania dystansu między dwiema sferami berylowego reflektora neutronów, którego zadaniem było doprowadzenie do przekroczenia masy krytycznej. W pewnym momencie śrubokręt wysunął się, a pokrywa się zamknęła. Doszło do gwałtownej reakcji łańcuchowej i emisji dużej dawki promieniowania jonizującego gamma i neutronowego czemu towarzyszyła błękitna poświata zjonizowanego powietrza oraz fala ciepła.