Научные работы развивались по следующим направлениям:
- выяснение возможности и в случае удачи создание ядерного реактора на естественном уране и обычной воде (Г.Н. Флеров, В.А. Давиденко);
- выяснение возможности и в случае удачи создание ядерного реактора на естественном уране и графите (И.В. Курчатов, И.С. Панасюк);
- создание ядерного реактора на естественном уране и тяжелой воде (А.И. Алиханов, С.Я. Никитин);
создание циклотрона (И.В. Курчатов, Л.М. Неменов);
- разделение изотопов естественного урана (И.К. Кикоин, Л. А. Арцимович);
- развитие химии трансурановых элементов и ее практическое использование (Б.В. Курчатов);
- физические исследования, направленные на создание урановой промышленности по выпуску оптимальных твэлов для ядерных реакторов (И.В. Курчатов, И.О. Панасюк);
физико-химические исследования, направленные на создание промышленности по выпуску оптимальных графитовых блоков для ядерных реакторов (И.В. Курчатов, И.С. Панасюк, Н.Ф. Правдюк, В.В. Гончаров);
физико-химические исследования, направленные на создание промышленности для получения тяжелой воды для ядерных реакторов (А.И. Алиханов, Р.Л. Сердюк, Д.М. Самойлович, М.И. Корнфельд);
- измерение ядерных констант и нейтронная физика (П.Е. Спивак, И.С. Панасюк, С.А. Баранов, М.И. Певзнер).
Первоначальная структура Лаборатории № 2 была следующей: управление научной и хозяйственной деятельностью строилось на основе централизованного руководства начальника лаборатории через своих заместителей и начальников самостоятельных секторов. Научно-исследовательская работа проводилась в научных секторах: сектор № 1 - создание уран-графитового реактора на тепловых нейтронах (начальник И.В. Курчатов):
сектор № 2 - диффузионное разделение изотопов урана (И.К. Кикоин); сектор № 3 - развитие химии трансурановых элементов (Б.В. Курчатов): сектор № 4 - получение тяжелой воды для ядерных реакторов (М.И. Корнфельд);
сектор № 5 - электромагнитное разделение изотопов урана (Л.А. Арцимович);
сектор № 6 - разработка и исследование технологических вопросов создания реакторов, включая вопросы живучести главных элементов (В.И. Меркин);
сектор № 7 - изучение физики быстрых нейтронов и др. (Г.Н. Флеров); сектор № 8 - изучение мезонов и их взаимодействия с веществом (М. С. Козодаев).
По первоначальному замыслу Лаборатория № 2 должна была выполнять все разделы проблемы - от получения ядерного взрывчатого вещества до конструирования бомбы, изготовления всех ее частей и испытания на полигоне.
