Projekt Manhattan W czasie II wojny światowej Libby przeniósł się do War Research Division przy Uniwersytecie Columbia i w ramach Projektu Manhattan prowadził badania nad energią atomową. Wziął udział w opracowaniu sposobu rozdzielania izotopów uranu, potrzebnych do uzyskania bomby atomowej. To ważne osiągnięcie opierało się na zasadach, które Libby później wykorzystał w pracach nad datowaniem za pomocą węgla promieniotwórczego C-14.
Wynalezienie datowania radiowęglowego Libby wynalazł metodę mierzenia czasu połowicznego rozpadu izotopu węgla 14C, co stało się podstawą bardzo ścisłego datowania próbek, tzw. datowania radiowęglowego, zwłaszcza pochodzenia organicznego (zwłok, szkieletów, papirusów, skamielin itd.). Metoda ta znalazła zastosowanie we współczesnej archeologii i kryminologii. W 1960 r. Libby otrzymał za jej opracowanie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.