In den Hauptrollen spielen Cillian Murphy als J. Robert Oppenheimer und Emily Blunt als seine Frau, die Biologin und Botanikerin Katherine „Kitty“ Oppenheimer. Oscar-Preisträger Matt Damon porträtiert General Leslie Groves Jr., Leiter des Manhattan-Projekts, und Robert Downey Jr. spielt Lewis Strauss, Mitbegründer der US-Atomenergiekommission.
Der Film basiert auf dem Pulitzer-Preis-prämierten Buch „J. Robert Oppenheimer: Die Biographie“ von Kai Bird und dem verstorbenen Martin J. Sherwin.
Gedreht wurde „Oppenheimer“ auf einer Kombination aus IMAX-65mm- und 65mm-Großbildfilm und zum ersten Mal in der Filmgeschichte mit einigen Sequenzen auf IMAX-Schwarz-Weiß-Analogfilm.