他意識到，從此美國手裏擁有了“無敵的轟炸力量”，有了這個殺手鐧，就大大增加了和蘇聯談判的砝碼。這一情況當時是“最高機密”，在美國決策者當中，隻有極少數人知道。當然，由於英國最早開始此項研製，丘吉爾從一開始就參與了這一秘密行動。在波茨坦會議上，美、英兩國既要嚴守秘密，又按捺不住地想對蘇聯顯示一下力量。於是，有一次，杜魯門以“順便提到”的口吻對斯大林說，美國已研製出一種破壞力巨大無比的新式武器。斯大林當時不動聲色地回應說，聽到這消息很高興，希望美國好好運用它來對付日本。實際上蘇聯當時已經在開始研製核武器，獲悉這個消息後，斯大林指示國內有關部門，要加快這項計劃的研究進度。
在杜魯門告訴斯大林此事的當天，美國陸軍部根據總統批示已向戰略空軍大隊司令斯波茨將軍發出了指令：在8月3日之後，在氣候條件允許的情況下，在廣島、小倉、新潟、長崎四個城市之一投擲這種“特種炸彈。”7月26日，美、英、中三國根據《波茨坦公告》向日本發出最後通牒：日本必須全麵投降，其中應包括由盟國軍隊占領日本，日本須將其1895年以來所征服的土地，一律歸還原主。但對日本人民則保證，一俟建立起“一個傾向於和平的負責政府，”占領即行終止，而且對於他們，決不“作為一個種族加以奴役，亦不作為一個民族予以消滅。”另一個抉擇是“立即徹底毀滅”。7月28日，東京電台宣布日本決心作戰到底。杜魯門於是決定使用原子彈來實現美國既定的戰略計劃。
8月6日上午9時，美國B－29型轟炸機把第一顆原子彈投向廣島，它將駐防該城的日本第二集團軍全部消滅，使該市4平方英裏的地區夷為平地，包括軍人在內共有6萬多人喪生。全市有1，780位護士，有1，654人當場死亡或受重傷不能工作，大多數醫生也是非死即傷；全市大多數建築物被摧毀或被嚴重破壞。當天下午，原來看來逃脫厄運未受傷害的那些人也都死去了，首次顯示出核幅射的影響。8月9日正午前後，俄國對日宣戰數小時，第二枚原子彈在長崎上空爆炸，又殺死了3．6萬人。8月10日，東京電台宣布，日本政府向美、英、中、蘇四國發出照會，表示在保留天皇為日本最高統治者的條件下，接受波茨坦公告。
美國第一個成功地製造並使用了原子彈，不但對當時的戰局產生了重大影響，也對戰後幾十年的國際關係格局產生了深遠的影響。根據美國軍方和國務院等有關部門已經解密的檔案資料，美國政府對此事經過深思熟慮，是充分權衡一切利弊後才做出決策的。
1939年阿爾伯特·愛因斯坦、恩裏科·費米、利奧·西拉德等從德國逃難到美國的著名物理學家向羅斯福總統提出報告，指出了德國在鈾原子分裂研究中取得領先地位的危險性。1940年夏天，費米在哥倫比亞大學，開始建造一座原子反應堆；加利福尼亞大學的歐內斯特·勞倫斯博士，使用一座功率強大的回旋加速器，解決了製造出充分數量的可分裂物質的問題。1941年，美國政府成立了由萬尼瓦爾·布什和詹姆斯·科南特負責的專門機構———科學研究與發展辦公室。是年12月，費米和他的同行首次試驗成功了自動保持的連鎖核反應，在研製原子彈方麵邁出了重要的一步。不久，萊斯利·格羅夫斯將軍領導一批陸軍技師，接管了這項代號為“曼哈頓工程”的工作，並在田納西州橡樹嶺和華盛頓州漢福德，建立了製造鈈的工廠。稍後，在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯建立了一個專門的實驗室，由著名科學家羅伯特·奧本海默負責領導。這項工作屬於頂級機密，當時還是參議員的杜魯門也毫不知情。但是到1945年4月之後，原子彈的研製已接近成功，要考慮使用這一新型武器的問題時，已是杜魯門當政。一個以史汀生為首的8人臨時委員會成立了，負責研究並向總統提出有關使用原子彈的建議。
7月16日下午5點30分，在新墨西哥州的沙漠裏，美國進行了內爆式原子裂變炸彈的第一個正規試驗。在炸彈爆炸後，出現了一陣強烈的令人目盲的閃光，照得沙漠通亮，一個巨大的火球由深紫色變成橘紅色又變成“世間所無的綠色”，一躍而衝向天空。火球下麵有一大支雲柱從地麵升起，最後形成一塊巨大的蘑菇雲，它穿透天空中的雲層，達到4萬1千英尺的高度。然後出現一股強烈的熱浪和如打雷一樣的轟隆聲，地麵顫動如同地震一般。估計爆炸所發生的能量超過1．5萬至2萬噸梯恩梯當量。有人把它看作是“預告世界末日降臨的可怕的怒吼”。