С 8 по 14 августа Советский Союз вёл военные действия с Японией. Военные действия велись на территории Маньчжурии, советские войска заняли Курилы и Сахалин.

В сентябре 1944 года на встрече президента США Франклина Рузвельта и премьер-министра Великобритании Уинстона Черчилля (руководителей стран-союзниц СССР) в Гайд-парке была заключена договорённость, согласно которой предусматривалась вероятность применения атомного оружия против Японии.

Комитет по выбору целей рекомендовал в качестве целей для применения атомного оружия Киото (крупнейший индустриальный центр), Хиросиму (центр армейских складов и военный порт), Иокогаму (центр военной промышленности), Кокуру (крупнейший военный арсенал) и Ниигату (военный порт и центр машиностроения.

Военный министр США Генри Стимсон вычеркнул Киото из списка вследствие культурного значения города. По словам профессора Эдвина О. Райшауэра, Стимсон «знал и ценил Киото со времён проведённого там несколько десятилетий назад медового месяца».

25 июля Трумэн одобрил приказ начиная с 3 августа бомбить одну из следующих целей: Хиросиму, Кокуру, Ниигату или Нагасаки — при первой возможности, как только погода позволит, а также в будущем — следующие города, по мере поступления бомб.

26 июля правительства США, Великобритании и Китая подписали Потсдамскую декларацию, в которой было изложено требование безоговорочной капитуляции Японии. Атомная бомба в декларации упомянута не была.

На следующий день японские газеты сообщили, что декларация, текст которой был транслирован по радио и разбросан в листовках с самолётов, была отвергнута.

6 августа в 08:15 местного времени американский бомбардировщик В-29, находясь на высоте свыше 9 км, произвёл сброс атомной бомбы«Little Boy» («Малыш»)  на центр Хиросимы.

Находившиеся ближе всего к эпицентру взрыва погибли мгновенно, их тела обратились в уголь. Пролетавшие мимо птицы сгорали в воздухе, а сухие горючие материалы (например, бумага) воспламенялись на расстоянии до 2 км от эпицентра. Световое излучение вжигало тёмный рисунок одежды в кожу и оставляло силуэты человеческих тел на стенах. Находившиеся вне домов люди описывали ослепляющую вспышку света, с которой одновременно приходила волна удушающего жара. Взрывная волна для всех находившихся рядом с эпицентром следовала почти немедленно, часто сбивая с ног. Находившиеся в зданиях, как правило, избегали воздействия светового излучения от взрыва, но не взрывной волны — осколки стекла поражали большинство комнат, а все здания, кроме самых прочных, обрушивались. Одного подростка взрывной волной выбросило из его дома через всю улицу, в то время как дом обрушился за его спиной. В течение нескольких минут 90% людей, находившихся на расстоянии 800 метров и меньше от эпицентра, умерли.

Взрывной волной были выбиты стёкла на расстоянии до 19 км. Для находившихся в зданиях типичной первой реакцией была мысль о прямом попадании авиабомбы.

Многочисленные небольшие пожары, которые одновременно возникли в городе, вскоре объединились в один большой огненный смерч, создавший сильный ветер (скоростью 50—60 км/час), направленный к эпицентру. Огненный смерч захватил свыше 11 км² города, убив всех, кто не успел выбраться в течение первых нескольких минут после взрыва.

Количество погибших от непосредственного воздействия взрыва составило от 70 до 80 тысяч человек. К концу 1945 года в связи с действием радиоактивного заражения и других отложенных эффектов взрыва общее количество погибших составило от 90 до 166 тысяч человек. По истечении 5 лет общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 200 тысяч человек. 
9 августа  американский бомбардировщик  B-29, нёсший на борту атомную бомбу «Толстяк», нанёс удар по городу Нагасаки.

Количество погибших к концу 1945 года составило от 60 до 80 тысяч человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, могло достичь или даже превысить 140 тысяч человек.