1945年7月26日，中、美、英三國以共同宣言的形式，發表了促令日本投降的波茨坦公告。公告義正詞嚴地警告日本政府：“……日本必須決定一途，其將繼續受其一意孤行估算錯誤，使日本帝國已陷於完全毀滅之境的軍人統製，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裝部隊無條件投降，並對此種行動誠意實行予以適當之各項保證，除此一途，日本即將迅速完全毀滅”與此同時，杜魯門還指令美國政府的情報機構迅速用一切可能的方法使波茨坦公告的內容讓日本人知道。從7月27日到8月1日，盟國飛機在日本各大中城市上空散發150萬張傳單和300萬張波茨坦公告。傳單對這些城市發出警告：如日本不投降，它們將受到大規模的猛烈空中轟炸。每次傳單散發過後，美機接著就是一次常規炸彈的轟炸。波茨坦公告發表後，日本統治集團在戰與和的問題上，始終意見不一。以外相東鄉茂德為首的一批文職要員，主張看蘇聯是否參戰等情況而定。以陸相阿南惟幾、陸軍參謀長梅津美治郎、海軍參謀長豐田副武等為首的一批軍界頭目，則堅持把戰爭進行到底的強硬態度。7月28日下午，鈴木貫太郎首相接見記者時就日本政府對於波茨坦公告的態度發表聲明說，波茨坦公告沒有任何主要價值，“隻有對它置之不理，我們將堅決把戰爭進行到底”。而且，日本政府害怕波茨坦公告內容會影響其國民和軍隊的士氣，將其刪除了一部分後，才在報紙上發表。日本公開拒絕接受波茨坦公告，促使杜魯門決定按原計劃對日本使用原子彈。
1945年8月6日2時45分，美國空軍上校蒂貝茨駕駛裝載著原子彈的B—29型重型轟炸機“埃諾拉·蓋伊”號，由2架飛機護航，自馬裏亞納群島的提尼安島起飛。它以每小時456公裏的速度在9760米的高空飛行，8時許飛抵日本廣島上空，投下一顆原子彈，其重量為9000磅，高10英尺，當量為2萬噸梯恩梯。廣島當時的人口共34.3萬人，其南麵最近的宇品，長期用作陸軍的海運基地，在市東部有很多後勤工廠、倉庫。從1945年4月起，日本陸軍第2總軍司令部設置在此。上午8時15分原子彈在市中心上空爆炸。在接近爆炸中心地區的居民大部分被炸死，幸而逃脫的也呻吟於燒傷之中，約有7.8萬餘人喪生，5.1萬餘人負傷或失蹤。全市建築物總數7.6萬餘幢，全毀者4.8萬幢，半毀者2.2萬餘幢。罹災人數達17.7萬餘人。
在美國對日本使用原子彈的當天，華盛頓新聞媒體發布了原子彈的新聞公報和杜魯門總統關於原子彈的聲明：“6日投在廣島的原子彈，將對戰爭起到革命性變化。假如日本仍不接受投降的話，還將往其他的地方投擲”在美國廣播之後，日本陸、海軍統帥部始從廣島及吳鎮府兩地接到了有關新型炸彈的稍為詳細的報告。但在8月8日的日本各大報紙上登載日本大本營7日的通告中，決定暫不使用“原子彈”一詞，隻是說：“廣島由於遭受新型炸彈的轟炸，損失相當嚴重。”“這種炸彈並不可怕，我方有辦法對付”。日本政府仍然拒絕投降。從8月6日至8月8日，日本政府當局連內閣會議也未召開，原定召開的最高軍事會議也取消了，根本就沒有討論過出現原子彈的問題。他們所關心的焦點或者說寄希望的是8日夜間預定在莫斯科舉行的佐藤大使和莫洛托夫外長會談的結果。8月8日，蘇聯對日宣戰。9日零時，蘇軍從中國東北地區向日本關東軍發起總攻。上午10時30分，日本最高戰爭指導會議研究和與戰的問題。11時30分，美國又在長崎投下第二顆原子彈。當時長崎人口約27萬，當日死亡2.4萬餘人，受傷4.3萬餘人，總計6.7萬餘人，占長崎總人口的25％。