Ngày 6-8, vào lúc 1h45 phút, pháo đài bay hạng nặng B-29 Superfortress của không lực Hoa Kỳ cất cánh từ phi trường Tinian cách Hiroshima 1.700 dặm mang theo quả bom nguyên tử mang tên "Little Boy" (tức cậu bé) tiến thẳng tới "thành phố bất hạnh" Hiroshima. Bom được ném lúc 8h45 phút ở độ cao 9500 mét và khi phi cơ bay với tốc độ 520 km/h. "Little boy" phát nổ khi cách mặt đất 600m, 90.000 người thiệt mạng, hàng chục nghìn người khác bị thương và nhiễm phóng xạ. Tổng cộng đã có 140.000 người đã chết vì quả bom nguyên tử. Gần 100 phần trăm thành phố bị phá hủy trong tích tắc. Bán kính bị tàn phá là 1,6 km và cháy trên diện tích 4,4 km vuông.[13]

Ngày 9-8, Mỹ ném quả bom nguyên tử thứ hai tại Nagasaki, pháo đài bay B-29 mang tên Bock's Car đang bay thẳng tới Kokura, nhưng sau đó do lý do nhiên liệu và mây che phủ nên nó chuyển mục tiêu sang Nagasaki. 11h1 phút, quả bom nguyên tử mang tên "Fat Man" (tức ông mập) được ném xuống Nagasaki. 43 giây sau khi bom rơi, Fat Man phát nổ, nhiệt độ tăng đến 3.871 °C và sức gió khoảng 1.000 km/giờ. Do Nagasaki có nhiều đồi núi và do bom rơi hơi chệch mục tiêu nên thiệt hại ở đây ít hơn so với Hiroshima. 70.000 người chết ngay tại chỗ, 60.000 người bị thương và phơi nhiễm phóng xạ. Tổng cộng thương vong là 130.000 người trong tổng số 240.000 người đang sống trong thành phố vào ngày 9-8.[13]

Việc ném bom nguyên tử là do tổng thống Mỹ Harry S Truman phê duyệt. Việc ảnh hưởng của việc ném bom nguyên tử đến sự đầu hàng của đế quốc Nhật vẫn là đề tài tranh cãi. Nhưng việc làm hàng nghìn dân thường vô tội phải thiệt mạng là bằng chứng không thể chối cãi đối sự ác độc của Hoa Kỳ, sự thù oán của Mỹ qua Trận Trân Châu Cảng và để thể hiện sức mạnh của quân đội Hoa Kỳ thông qua sự kiện "thử nghiệm vũ khí nguyên tử tại Nhật Bản".

Sau vụ ném bom, Mỹ bị cộng đồng quốc tế và các cá nhân như nhà bác học Albert Einstein chỉ trích và lên án mạnh mẽ không chỉ thời gian năm 1945 mà còn nhiều năm về sau nữa và cho đến tận ngày nay. Tổng thống Harry S Truman cũng bị lên án, cho rằng ông đã phạm phải tội ác chiến tranh, tội ác chống lại loài người như Peter Kurznick, giám đốc viện Nghiên cứu hạt nhân tại Đại học châu Mỹ tại Washington viết:"Ông ta (chỉ Harry Truman) biết rằng ông ta đã bắt đầu một quá trình hủy diệt sự sống. Đó không chỉ là tội ác chiến tranh; đó còn là tội ác chống lại loài người."