1945年2月19日，美軍登陸距離日本更近的硫黃島，與日本守軍展開一個多月的浴血鏖戰。2.1萬多名美軍在戰鬥中死傷，2.5萬多名日軍被擊斃。3月26日，美國海軍陸戰隊最終占領全島。4月1日，美軍開始進攻掩護日本本土的最後一道屏障——衝繩島。日軍以滿載炸彈的“神風飛機”對美國軍艦和運輸船開展瘋狂的自殺戰術。在近3個月的激戰中，日軍傷亡11萬多人，被俘9000多人，損毀飛機8000多架；美軍損失飛機760架，傷亡7.5萬人，於6月21日最後占領衝繩島，徹底摧毀了日本本土的外圍防線。
從1944年6月開始，美國戰略空軍便從中國基地起飛，開始轟炸日本本土。到1945年9月結束戰爭前，美軍總計炸死33萬日本人，炸傷大約50萬日本人，炸毀了日本66個城市40%的稠密建築區，摧毀了日本83%的石油提煉能力、75%的航空發動機生產能力、70%的電子和通訊設備生產能力、30%的兵工廠，將日本法西斯逼入經濟絕境。
1945年7月26日，美、英、中三國從柏林發表敦促日本無條件投降的《波茨坦公告》（Potsdam Declaration）。7月27日至8月1日，盟國在日本各城市上空散發了300萬張《波茨坦公告》和150萬張即將發起猛烈空中轟炸的警告傳單。7月29日，日本正式拒絕了《波茨坦公告》。
8月6日8時15分，美軍在日本廣島（Hiroshima）投下當量為2萬噸TNT的第一顆原子彈。廣島市中心4.4平方英裏的地區頃刻間化作一片廢墟，78150人喪生，51408人受傷和失蹤。同日，美國總統杜魯門（Harry S. Truman，1884~1972）發表關於原子彈的聲明，要求日本立即投降。但是，日軍仍然拒絕投降。
8月8日，蘇聯對日本宣戰。8月9日，蘇軍進入中國東北地區向日本關東軍發起進攻；當天上午11時30分，美軍在日本長崎（Nagasaki）投下第2顆原子彈，炸死23753名日本人，炸傷43020人。
8月10日，日本政府向美、英、中、蘇發出乞降照會，表示願意接受《波茨坦公告》，同時要求保持天皇地位。8月11日，杜魯門決定允許日本保留天皇，但自投降之日起，由盟軍最高統帥接管日本的國家權力，全體日軍就地停戰並交出武器。
8月14日，日本政府正式宣布接受同盟國的要求。8月15日，日本裕仁天皇（Emperor Hirohito）通過電台親自宣讀接受無條件投降的《停戰詔書》。
9月2日，日本投降的簽字儀式在東京灣的美國戰列艦“密蘇裏號”上舉行，日本外相重光葵、日本總參謀部代表梅津美治郎在盟軍最高統帥麥克阿瑟將軍、尼米茲海軍上將和中、英、蘇等國代表麵前，簽署了《日本無條件投降書》。至此，第二次世界大戰以全世界反法西斯同盟的最終勝利而結束。
1945，羅斯福召回在南太平洋戰區服役的兒子詹姆斯，以便讓兒子參加他的第四屆總統就職儀式。回國後，詹姆斯對父親說，盡管美國在太平洋戰場上正在取得勝利，但是還麵臨著許多戰鬥。特別是進攻日本本土的戰鬥，肯定會造成很大傷亡。詹姆斯對自己能否再次活著回來見到父親信心不足。
“詹姆斯，”羅斯福輕聲地說，“我們不需要進攻日本本土。等不到需要進攻，我們就會有一種武器來結束對日戰爭。”
詹姆斯追問是什麼武器。
羅斯福答道：“對不起，盡管你是我兒子，我也不能告訴你。可以這樣說，這是一種我們在迫不得已的情況下才能使用，而且一定會使用的武器。在你和我們祖國兒子們可能為進攻日本而送命之前，我們肯定要使用這種武器。”
隨後，羅斯福笑著說：“因此，孩子，你還會回到我身邊的。”
——（美）保羅·F·博勒