Ao mesmo tempo em que a pesquisa nuclear teve início nos Estados Unidos, a Alemanha estava avançando com seu próprio programa de pesquisa de energia nuclear e bombas atômicas. Em abril de 1939, os nazistas iniciaram um programa secreto chamado "Uranverein" ou "Uranium Club". Dirigido pelo físico Kurt Diebner, recrutou algumas das principais mentes científicas do país, incluindo o premiado Nobel, Werner Heisenberg. Ao contrário de seus homólogos americanos, os alemães decidiram usar água pesada como moderador em vez de grafite. Em um reator nuclear, um moderador é usado para diminuir o bombardeamento dos nêutrons e controlar o processo de fissão. Desta forma, o moderador ajuda a manter uma reação em cadeia. Os alemães esperavam usar água pesada para esse propósito, no entanto, nunca foram capazes de conseguir uma reação em cadeia bem sucedida. Este fracasso foi em parte devido à eficácia limitada da água pesada em comparação com o grafite, mas em geral resultou da falta de coordenação e apoio ao programa alemão de bombas atômicas entre cientistas, governo e militares. Após a invasão da Noruega pela Alemanha em abril de 1940, os alemães assumiram o controle da fábrica de Vemork da Norsk Hydro, fora de Rjukan. Embora a planta de Vemork tenha sido originalmente projetada para usar água de montanha para eletrólise e produzir amônia para fertilizantes nitrogenados, a planta logo tornou-se o primeiro local de produção em escala industrial de água pesada no mundo. Após a apreensão da fábrica de Vemork, eles forçaram os trabalhadores da planta a aumentar a produção de água pesada. No final de 1941, a produção de água pesada excedeu as taxas de produção anteriores em aproximadamente 100 kg por mês e totalizava cerca de quatro quilos por dia. A Inteligência britânica soube pela primeira vez sobre o desejo dos alemães de aumentar a produção de água pesada da fábrica, durante o verão de 1941 em uma mensagem enviada pela resistência norueguesa. Com suas conexões na fábrica e seu papel na resistência, o químico Leif Tronstad obteve essa informação e a repassara anonimamente aos britânicos. Essas ligações proporcionaram a base para os assaltos posteriores à fábrica da Vemork pelos comandos noruegueses, coordenados pelos britânicos.

Eles conceberam essas missões de sabotagem porque perceberam que os alemães provavelmente estavam usando a água pesada para um reator nuclear e um programa de bomba atômica. Para evitar sua captura pela Gestapo, Tronstad fugiu para a Suécia e depois para a Grã-Bretanha e devido a sua valiosa informação sobre a produção de água pesada, seus conhecimentos em Química e seus antecedentes na Inteligência norueguesa, foi nomeado para liderar o treinamento das unidades de comando que efetuariam as operações de sabotagem na Noruega. Os britânicos estavam bastante familiarizados com a sabotagem de guerra. O país tinha uma unidade secreta chamada Special Operations Executive (SOE), e treinava agentes para missões específicas de sabotagem atrás das linhas inimigas. O ramo norueguês da SOE era conhecido como Linge Company e recrutava noruegueses que fugiram para a Inglaterra após a invasão de seu país pelos nazistas. Os operadores completaram o severo treinamento na Escócia, que incluíam exercícios de orientação noturna, escalada de montanhas, como vardear rios e acampar ao ar livre por semanas. Para se preparar para a sua futura missão, os operadores precisavam ser submetidos a este tipo de treinamento de forças especiais, pois a fábrica era uma fortaleza natural, cercada pelo Hardangervidda, um platô de altas montanhas. Pelos conhecimentos da fábrica, da região e do clima, os britânicos voltaram-se para Tronstad e a Linge Company para deter a produção de água pesada dos alemães em Vemork. Em outubro de 1942, as primeiras tentativas de infiltrar-se na fábrica da Vemork começaram com a Operação Grouse e a Operação Freshman. Embora o bombardeio fosse a escolha dos militares americanos, os britânicos optaram por realizar uma missão patrocinada pela SOE, primeiro para minimizar os efeitos colaterais na população civil e segundo porque as instalações de água pesada estavam localizadas no subsolo da fábrica sob camadas de concreto e metal, resistente aos bombardeios. Na primeira etapa da missão, uma pequena equipe de operadores noruegueses, com o codinome Grouse, saltou de paraquedas nos arredores da fábrica para reunir informações e preparar o ataque do grupo.

Um mês depois, em novembro de 1942, a Operação Freshman começou com a infiltração de 39 paraquedistas britânicos, levados por dois planadores, que pousaram perto da planta sob a orientação do grupo Grouse e depois a atacaram. Uma combinação de mau tempo e problemas de comunicação, no entanto, impediu a missão de prosseguir conforme planejado. Um dos planadores bateu em uma montanha, matando todos seus ocupantes e o outro se acidentou, pousando longe do local determinado. Os sobreviventes do segundo planador foram capturados e sumariamente executados pela Gestapo. Embora tenham encontrado um mapa que identificou Vemork como o alvo britânico, os alemães não conseguiram encontrar e capturar o grupo Grouse, que ainda estavam na área. Permanecendo escondidos e com suprimentos limitados, seus homens foram forçados a viver da terra e da caça. O grupo, renomeado Swallow, provou estar em condições de integrar a segunda missão para atacar Vemork, a Operação Gunnerside. Três meses após a primeira tentativa, o grupo Swallow recebeu uma mensagem da Grã-Bretanha de que mais seis operadores noruegueses seriam enviados para Rjukan para a Operação Gunnerside. Ao contrário da Operação Freshman, a equipe de forças especiais era formada por comandos noruegueses da Companhia Linge, que seriam lançados de paraquedas na zona alvo, em vez de usar um planador, e se encontrariam com os operadores do grupo Swallow antes de invadir a fábrica de Vemork. Dirigido por Joachim Rønneberg, o grupo saltou de um avião sob a cobertura de uma nevasca por volta da meia-noite de 16 de fevereiro de 1943. Os comandos vestiam uniformes britânicos sob suas roupas de neve. Eles argumentaram que se os britânicos fossem culpados pela sabotagem e não a resistência norueguesa, a população local seria menos propensa a enfrentar represálias dos nazistas. Embora o grupo tenha sobrevivido ao pouso e evitado a detecção inicial pelos alemães, eles desceram a milhas do alvo planejado. Assim, depois de viajar por cerca de cinco dias o grupo Gunnerside se conectou com o grupo Swallow. No final da noite, em 27 de fevereiro de 1943, o grupo Gunnerside iniciou a incursão na fábrica de Vemork. Haviam três maneiras de acessar a planta: descer das montanhas acima da planta, que era uma área coberta de campos de minas; atravessar uma ponte suspensa de uma única pista; ou descer para o fundo do desfiladeiro, atravessar um rio semi-congelado e escalar um penhasco de 150 metros de altura. De acordo com Rønneberg, o grupo votou pelo desfiladeiro, o que levou a uma rota ao lado de uma linha ferroviária que um contato local disse que era relativamente desguarnecida.

Para atravessar a cerca do portão lateral da fábrica, Knut Haukelid usou um par de cortadores de metal. Depois de atravessá-la o grupo dividiu-se em uma equipe de quatro homens com explosivos e uma equipe de cobertura com cinco homens. A equipe de explosivos planejava entrar na planta através de uma porta lateral, mas estava trancada. Rønneberg conseguiu encontrar um túnel de acesso e entrou na fábrica com Fredirk Kayser. Porém só um de seus homens o seguiu, já que os outros não encontraram a entrada do túnel. Por conseguinte, decidiram que teriam que fazê-lo eles mesmos e começaram a colocar as cargas. Depois de se separarem dos companheiros da equipe os outros dois, Kasper Idland e Birger Strømsheim, decidiram entrar pela janela. Uma vez no prédio, Rønneberg e seus homens colocaram duas séries de cargas explosivas ao lado das células de produção de água pesada. A fim de proporcionar tempo suficiente para escaparem, mas ainda ouvir a explosão, ele decidiu encurtar os pavios para que eles durassem apenas trinta segundos em vez dos dois minutos projetados. Depois de fugir da fábrica e se reconectar com seu esquadrão de cobertura, Rønneberg e o resto do grupo Gunnerside começaram a esquiar em direção a Rjukan. Uma vez que chegaram ao platô da montanha, o grupo se separou. Com uniformes e totalmente armados, os homens da equipe de explosivos percorreu mais de 320 km em esquis, na direção da fronteira sueca. O grupo de cobertura, por outro lado, espalhou-se por todo o platô. Apesar das intensas buscas dos alemães pelo grupo, nenhum dos membros foi morto ou capturado. Ao verificar os danos nas instalações de água pesada, o general Nikolaus von Falkenhorst, chefe das forças alemãs estacionadas na Noruega, referiu-se à Operação Gunnerside como "o golpe mais esplêndido". A ação destruiu com sucesso a instalação de produção de água pesada da Vemork e suprimentos. A incursão fez com que os alemães perdessem cerca de 500 kg de água pesada e a deixaram inoperante por alguns meses. Mas este não foi um golpe final para a produção de água pesada do inimigo. Em maio de 1943, as instalações de produção de água pesada foram reconstruídas e estavam operando novamente. Os americanos então decidiram bombardear a fábrica de Vemork, em novembro de 1943, usando 140 bombardeiros. As instalações sofreram danos mínimos, mas os alemães decidiram parar com a produção ali e transferir seus estoques de água pesada para centros de pesquisa na Alemanha. Mas seu planejamento foi interrompido quando um grupo de sabotadores noruegueses, dirigido por Knut Haukelid, afundou a balsa que transportava o precioso material, sepultando para sempre o incipiente programa nuclear alemão nas profundezas de um fiorde da Noruega.