Утром 6 августа 1945 года американский бомбардировщик B-29 "Enola Gay" (командир экипажа — полковник Пол Тиббетс) сбросил на японский город Хиросима атомную бомбу "Little Boy" ("Малыш"). Три дня спустя атомная бомба "Fat Man" ("Толстяк") была сброшена на город Нагасаки.
Оценки человеческих потерь от атак затруднены тремя факторами: низкой достоверностью записей, сделанных в это тяжёлое для Японии время, большим количеством жертв, умерших месяцами или годами позднее бомбардировки, и периодическим стремлением то преувеличивать, то преуменьшать потери в зависимости от политических намерений. Считается, что 140000 человек умерло в Хиросиме от взрыва и его последствий; аналогичная оценка для Нагасаки составляет 74000 человек. В обоих городах подавляющее большинство жертв были гражданскими лицами.
Роль бомбардировок в капитуляции Японии, равно как и их возможное оправдание, часто подвергалась пересмотру. Ныне в Соединённых Штатах доминирует воззрение, что бомбардировки помогли закончить войну на месяцы ранее, чем было бы без них, таким образом спасая множество жизней, которые были бы потеряны с обеих сторон, если бы произошло запланированное американцами вторжение в Японию. В Японии большинство считает, что бомбардировки не были необходимы, поскольку японское гражданское руководство тайно стремилось положить конец вражде.
Первая ядерная бомба, называвшаяся просто "Устройство", была взорвана в рамках испытания "Тринити" близ Аламогордо в штате Нью Мексико 16 июля 1945 года. В Хиросиме и Нагасаки были взорваны вторая и третья ядерные бомбы; на сегодняшний момент это — единственное боевое применение ядерного оружия.
Во время Второй Мировой войны как союзники, так и страны Оси и прежде следовали политике стратегической бомбардировки и разрушения гражданской инфраструктуры. Она во многих случаях вызвала большие гражданские потери, и необходимость ее применения была спорной. В Германии ковровые бомбардировки Дрездена самолетами союзников зажигательными бомбами вызвали около 30000 смертей. Подобные бомбардировки Токио убили около 100000 человек. К августу 1945 года около 60 японских городов было уничтожено в ходе масштабной воздушной кампании, включая массовую бомбардировку зажигательными бомбами городов Токио и Кобе.
После трёх с половиной лет прямого участия США во Второй Мировой войне, около 400000 американцев были убиты, примерно половина из них — в войне против Японии. В течение нескольких месяцев перед бомбардировкой проходила битва за Окинаву, унёсшая жизни 50—150 тысяч гражданских лиц, 100—125 тысяч японских военных или призывников и около 72 тысяч американцев. Ожидалось, что вторжение в саму Японию принесёт потери, во много раз превышающие окинавские.
Президент США Гарри Трумэн, не знавший о Манхэттэнском проекте до смерти Франклина Рузвельта, принял решение применить ядерные бомбы против Японии. Он выражал намерение таким образом вызвать быстрый исход войны посредством таких разрушений, соединённых с угрозой дальнейших, куда как больших, которые были бы достаточны для японской капитуляции. 26 июля Трумэн и другие лидеры союзников выпустили Потсдамскую декларацию, описывавшую условия капитуляции Японии, в которой говорилось:
Могучие силы, которые теперь приближаются к Японии, неизмеримо больше тех, которые, будучи применены к сопротивляющимся нацистам, естественно, опустошили земли, разрушили промышленность и нарушили образ жизни всего германского народа. Полное применение нашей военной силы, подкрепленной нашей решимостью, будет означать неизбежное и окончательное уничтожение японских вооруженных сил, столь же неизбежное полное опустошение японской метрополии… Мы призываем Правительство Японии провозгласить теперь же безоговорочную капитуляцию всех японских вооруженных сил и дать надлежащие и достаточные заверения в своих добрых намерениях в этом деле. Иначе Японию ждет быстрый и полный разгром.
Атомная бомба была ещё хорошо охраняемым секретом и не была упомянута в декларации.
На следующий день японские газеты сообщили, что декларация, текст которой был транслирован по радио и разбросан в листовках с самолётов, была отвергнута. Правительство Японии не выразило желания принять ультиматум. 28 июля премьер-министр Судзуки Кантаро заявил на пресс-конференции, что Потсдамская декларация — не более чем старые доводы Каирской декларации в новой обёртке (якинаоси) и потребовал от правительства проигнорировать её (мокусацу).