1945年春夏，日本法西斯已处于四面楚歌、日暮途穷的绝境。德国败降后，盟军的作战重心迅即东移，全力对付日本法西斯。在太平洋战场，盟军已攻占马里亚纳群岛和菲律宾群岛的莱特岛，从马里亚纳起飞的美国战略轰炸机及舰载机加强了对日本本土的沿海地区重要城市1945年8月9日，美国在日本的长崎投下了第二枚原子弹。和目标的轰炸。4月1日，美军在冲绳岛登陆，6月底攻克全岛，战争已迫近日本本土。英、美军队和中国远征军在缅甸也发起了反攻。在中国战场，中国共产党领导下的八路军、新四军和华南抗日纵队等抗日武装，正日益扩大局部反攻作战，迫使在华日军只能龟缩在大中城市等点线上。东南亚各国人民的抗日武装斗争此起彼伏，进入高潮，日本帝国的“大东亚共荣圈”已陷入崩溃之中。苏联政府在德国法西斯投降后，加速对日作战的准备，大规模地增兵苏联远东地区，在兵力兵器方面形成了对日本关东军的极大优势。日本法西斯的灭亡已经指日可待。
然而，日本军国主义统治集团并不甘心失败，它们不顾长期进行侵略战争给日本造成的政治经济危机日愈加剧、财力物力已濒衰竭、国外资源供应断绝、国内工业濒于瘫痪、粮食匮乏、人民厌战不满的现实，仍决定“帝国依然继续进行决战，争取战局的好转，并迅速地确立以日、满、华为基础的积极防卫态势，坚决实现长期持久战争”，以作最后的垂死挣扎。
尽快结束对日作战，是美国政府、军方的共识。1945年4月25日，杜鲁门总统上任后在白宫第一次听取了陆军部长史汀生和格罗夫斯关于新式武器具有强大威力的原子弹的研制情况的全面汇报。史汀生满怀信心地说：在4个月内，原子弹的试制将获得成功，一旦使用它，便可结束这场战争。根据史汀生的建议，杜鲁门随后任命一个以史汀生为首的军政首脑人物组成的临时委员会和一个科学家组成的顾问委员会，由两组人员分别研究决定德国战败后是否要对日本使用原子弹，以及如何使用原子弹的问题。6月初，经研究最后形成一致意见：既不能预先就原子弹的性质由美国对日本提出警告，也不能在某一无人居住区搞一次非军事性示威；应尽快对日使用原子弹，且目标要选择在能显示原子弹强大破坏力的地方和靠近有头等重要军事意义的军需生产中心。杜鲁门完全赞同顾问们的建议。
与此相反，另一批以詹姆斯·弗兰克和利奥·西拉德为首的、原子能科学家以及其他数十名在橡树岭等地从事原子弹研制工作的科学家，于6月下旬联名上书，向史汀生提交了一份报告，强烈反对使用原子弹。他们在信中写道：“用原子弹突然袭击日本而得到的种种军事上的好处和拯救美国人民免于牺牲，要是和因此而激起遍及全世界的恐怖和厌恶情绪相比，那是得不偿失的……如果美国首先对人类投下这种毁灭一切的新武器，它将丧失全世界公众的支持，助长了军备竞赛，损害了有朝一日达成控制这种武器的国际协定的可能性……从这些考虑出发，我们相信，用原子弹对日本进行一次早期袭击，是不可取的”然而，一部分科学家的反对意见并未动摇杜鲁门总统对日使用原子弹的决心，他自信地写道：“我认为原子弹是一种战争武器，从来没有人怀疑过可以应用它。”“我们必须用原子弹来袭击敌人，至于何时何地去投掷原子弹，则由我作最后决定”7月16日，人类历史上第一颗原子弹在美国新墨西哥利的沙漠地区阿拉莫戈尔多试验爆炸成功，其威力相当于1吨烈性炸药三硝基甲苯（TNT）的2万倍。当日上午，正在德国参加波茨坦会议的杜鲁门收到了“婴儿安全诞生了”的电报。17日，史汀生专程飞到波茨坦，向杜鲁门汇报了原子弹爆炸成功的详细情况。此后几天，杜鲁门便与所属军政要员进一步研究对日使用原子弹的具体细节。
对日本投掷原子弹的决策几乎与《波茨坦公告》的签署和公布同时进行。7月23日，曼哈顿（即研制原子弹）计划工程负责人格罗夫斯将军为即将进行的从太平洋马里亚纳群岛的提尼安岛出发对日本实施原子弹突袭的军事行动，拟定了最后的书面命令。7月24日，杜鲁门立即批准了这一命令，并以美国陆军部的名义，指令美国陆军战略空军部队司令卡尔·斯波茨将军派遣第20航空队第509混合大队，于1945年8月3日后在气候许可目击轰炸的条件下，立即在日本广岛、小仓、新渴和长崎4个城市中选定一个目标，投掷这种特种炸弹。负责这一特殊任务的美第20航空队第509混合大队，全部进入待命状态。在杜鲁门决定对日本使用原子弹的当天，出席波茨坦会议的杜鲁门有意识地向斯大林透露了美国研制原子弹已经成功的消息：“我们拥有一种破坏力特别巨大的新武器”。斯大林听后并没有表出现异常的反应，只是冷冷地回答说，他听到这个消息很高兴，希望美国人“好好地运用它来对付日本人”。美国企图以原子弹对苏联施加政治压力，迫使苏联领导人在战后世界安排问题上让步的企图未能达成。
1945年7月26日，中、美、英三国以共同宣言的形式，发表了促令日本投降的波茨坦公告。公告义正词严地警告日本政府：“……日本必须决定一途，其将继续受其一意孤行估算错误，使日本帝国已陷于完全毁灭之境的军人统制，抑或走向理智之路……吾人通告日本政府立即宣布所有日本武装部队无条件投降，并对此种行动诚意实行予以适当之各项保证，除此一途，日本即将迅速完全毁灭”与此同时，杜鲁门还指令美国政府的情报机构迅速用一切可能的方法使波茨坦公告的内容让日本人知道。从7月27日到8月1日，盟国飞机在日本各大中城市上空散发150万张传单和300万张波茨坦公告。传单对这些城市发出警告：如日本不投降，它们将受到大规模的猛烈空中轰炸。每次传单散发过后，美机接着就是一次常规炸弹的轰炸。波茨坦公告发表后，日本统治集团在战与和的问题上，始终意见不一。以外相东乡茂德为首的一批文职要员，主张看苏联是否参战等情况而定。以陆相阿南惟几、陆军参谋长梅津美治郎、海军参谋长丰田副武等为首的一批军界头目，则坚持把战争进行到底的强硬态度。7月28日下午，铃木贯太郎首相接见记者时就日本政府对于波茨坦公告的态度发表声明说，波茨坦公告没有任何主要价值，“只有对它置之不理，我们将坚决把战争进行到底”。而且，日本政府害怕波茨坦公告内容会影响其国民和军队的士气，将其删除了一部分后，才在报纸上发表。日本公开拒绝接受波茨坦公告，促使杜鲁门决定按原计划对日本使用原子弹。
1945年8月6日2时45分，美国空军上校蒂贝茨驾驶装载着原子弹的B-29型重型轰炸机“埃诺拉·盖伊”号，由2架飞机护航，自马里亚纳群岛的提尼安岛起飞。它以每小时456公里的速度在9760米的高空飞行，8时许飞抵日本广岛上空，投下一颗原子弹，其重量为9000磅，高10英尺，当量为2万吨梯恩梯。广岛当时的人口共34.3万人，其南面最近的宇品，长期用作陆军的海运基地，在市东部有很多后勤工厂、仓库。从1945年4月起，日本陆军第2总军司令部设置在此。上午8时15分原子弹在市中心上空爆炸。在接近爆炸中心地区的居民大部分被炸死，幸而逃脱的也呻吟于烧伤之中，约有7.8万余人丧生，5.1万余人负伤或失踪。全市建筑物总数7.6万余幢，全毁者4.8万幢，半毁者2.2万余幢。罹灾人数达17.7万余人。
在美国对日本使用原子弹的当天，华盛顿新闻媒体发布了原子弹的新闻公报和杜鲁门总统关于原子弹的声明：“6日投在广岛的原子弹，将对战争起到革命性变化。假如日本仍不接受投降的话，还将往其他的地方投掷”在美国广播之后，日本陆、海军统帅部始从广岛及吴镇府两地接到了有关新型炸弹的稍为详细的报告。但在8月8日的日本各大报纸上登载日本大本营7日的通告中，决定暂不使用“原子弹”一词，只是说：“广岛由于遭受新型炸弹的轰炸，损失相当严重。”“这种炸弹并不可怕，我方有办法对付”。日本政府仍然拒绝投降。从8月6日至8月8日，日本政府当局连内阁会议也未召开，原定召开的最高军事会议也取消了，根本就没有讨论过出现原子弹的问题。他们所关心的焦点或者说寄希望的是8日夜间预定在莫斯科举行的佐藤大使和莫洛托夫外长会谈的结果。8月8日，苏联对日宣战。9日零时，苏军从中国东北地区向日本关东军发起总攻。上午10时30分，日本最高战争指导会议研究和与战的问题。11时30分，美国又在长崎投下第二颗原子弹。当时长崎人口约27万，当日死亡2.4万余人，受伤4.3万余人，总计6.7万余人，占长崎总人口的25%。
美国对日本使用原子弹和苏联参加对日作战，加速了日本投降。8月6日下午，日本天皇面谕东乡外相：“敌方既然使用了这种武器，继续战争越发不可能了。为争取有利条件，不可错过结束战争的时机”8月9日上午，日本最高战争指导会议召开，“致使天皇以及木户内大臣、铃木首相、东乡外相、米内海相、近卫公、重光前外相和其他历来支持早日停战的要人更加坚定了决心，认为除迅速接受波茨坦公告以结束战争外，别无他法”8月10日，日本政府向美、英、中、苏（通过瑞士和瑞典的外交渠道）发出照会，如果天皇地位不变，它准备接受波茨坦公告所列举的条款。8月11自，经过磋商，盟国决定让日本保留天皇，但天皇必须授权并保证日本政府及帝国大本营签署为执行波茨坦公告所必需的投降条件，天皇和日本政府必须听从盟国最高统帅的命令，并由美国国务院通过瑞士政府发出苏、美、英、中对日本声明的答复。8月15日，日本向全国播发了天皇接受波茨坦公告，实行无条件投降的诏书。
二战结束后，世界各国对美国在即将走向失败的日本使用原子弹褒贬不一。客观公正地说，二战进行到1945年7月时，日本法西斯已处于四面楚歌，孤立无援的境地。中国战场的持久抗战，歼灭日军100多万人，并牢牢牵制了日本陆军主力；美、英盟军在太平洋战场的反攻逼近日本本土，摧毁了日本的庞大海军舰队和空中力量，切断了日本与南方的海上联系，日本的战时经济遭到彻底破坏，国内各种矛盾日趋尖锐。日本军国主义的彻底灭亡已指日可待，这是不容置疑的。但日本军政首脑中的大多数人仍不甘心失败，一直不放弃所谓进行日本“本土决战”。因此，这时美国对日本投掷原子弹，加上苏联出兵对日作战，不用说，它起到了加速日本政府作出迅速投降决定的作用。