Morrison a Robert Oppenheimer vezette Manhattan Tervet megvalósító tudóscsapat tagja volt. Jelen volt az első kísérleti atomrobbantásnál az új-mexikói sivatagban. Az ő irányításával szerelték össze a csendes-óceáni Tinian szigetén az 1945. augusztus 6-án Hirosimára ledobott atombombát, amelynek pusztító erejét Japán kapitulációja után a helyszínen tanulmányozta.

A II. világháború után Philip Morrison a nukleáris fegyverkezési verseny elkeseredett ellenzője, az atomfegyverek ellenőrzésének és felszámolásának az élharcosa lett, és ebből a célból az Amerikai Tudósok Szövetségében együttműködött többek között Albert Einsteinnel is. Az ötvenes évek elején kommunista szimpatizánsnak bélyegezték meg, és 1953-ban be is idézték meghallgatásra a szenátus belbiztonsági albizottsága elé.

A MIT professzoraként a kozmikus sugárzással, asztrofizikával és kozmológiával foglalkozott. Kutatásainak a témáit a nyolcvanas évek végén televíziós sorozatban népszerűsítette.