Tahun 1929, ia ditugaskan ke Nikaragua sebagai bagian dari proyek Inter-Oceanic Nicaragua Canal. Menyusul pada tahun 1931, Nikaragua mengalami gempa bumi, ia bertanggungjawab untuk memperbaiki Sistem supply air Managua, atas jasanya ini ia mendapat penghargaan penghormatan dari Presiden Nikaragua. Groves diangkat sebagai Kapten pada tahun 1934.
Ia kembali ke Amerika Serikat dan mengikuti pendidikan di General Staff College di Fort Leavenworth, Kansas tahun 1935-1936, dan the Army War College tahun 1938-1939. Kemudian ia ditempatkan di the War Department General Staff, Washington. Groves kemudian menjadi deputi pada Chief of Construction dan mengerjakan sejumlah proyek termasuk pembangunan proyek perkantoran militer terbesar, Pentagon, pada tahun 1940. Pada tahun yang sama ia naik pangkat menjadi Kolonel.
Proyek Manhanttan
Pada September1942, ia ditunjuk sebagai direktur militer pada Manhattan Engineer District atau yang biasa dikenal dengan Proyek Manhattan dengan pangkat brigadir jenderal. Kode "Manhanttan" ia ciptakan sendiri berdasarkan kebiasaan korps menamai distrik sesuai dengan kota markas besarnya. Awalnya ia ragu melibatkan diri dalam proyek senjata yang kurang diperhatikan. Namun proyek ini ternyatamenjadi salah satu proyek terbesar sepanjang sejarah. Di proyek ini ia bertanggung jawab atas seluruh tahapan, mulai dari tahap ilmiah, produksi, keamanan dan perencanaan untuk penggunaan bom. Ia juga berperan penting dalam menentukan lokasi yang akan digunakan dan mengatur pembelian uranium. Di bawah arahannya akhirnya diputuskan untuk mendirikan instalasi proyek di Oak Ridge, Tennessee; Los Alamos, New Mexico; dan Harford Engineering, Washington State, sebagai situs utama untuk penelitian dan produksi material.
Pada 6 Agustus1945, sebuah pesawat pengebom B-29 dengan nick nameEnola Gay, menjatuhkan bom atom di Hiroshima. Jepang tidak segera menyerah dan bom kedua dijatuhkan di Nagasaki tiga hari kemudian. Akhirnya Jepang menyerah tanpa syarat pada 15 Agustus1945.
Pada 1944, Groves naik pangkat menjadi mayor jenderal, ia terus bekerja di Los Alamos sebagai kepala proyek persenjataaan khusus Angkatan Darat AS hingga Januari1947. Groves pensiun saat militer mengalihkan urusan energi atom kepada Komisi Energi Atom yang dibentuk sipil. Sebelum pensiun, ia meraih pangkat letnan jenderal pada tahun 1948. Groves meninggal pada 13 Juli1970 dan dimakamkan di Arlington National Cemetery.[3]