1945年7月27日，即在《波茨坦公告》发布后的第二天，日本政府做出“不予理会声明”，决意与盟军对抗到底。
在这种情况下，美国总统杜鲁门下令对日实施原子弹打击，因为“唯一能说服天皇及其军事顾问们的办法就是证明我们有能力摧毁他们的帝国”。
原子核恶魔
原子弹是一种利用原子核裂变瞬间释放巨大能量产生爆炸的炸弹，利用中子轰击可裂变物质引起极迅速的核裂变链式反应。一般化学炸药如TNT炸药爆炸时释放的能量来自于化合物的分解反应，在这个过程中，碳、氢、氧、氮等原子核都没有变化，只是各个原子之间的组合状态发生变化。而原子弹在爆炸过程中，参与反应的原子核都转变成其他原子核，原子也发生变化。
原子弹爆炸时释放的能量比只装化学炸药的常规武器要大得多。1千克铀全部裂变释放的能量约为8×1013焦耳，比1千克TNT炸药爆炸释放的能量4.19×106焦耳约大2000万倍。因此，原子弹的爆炸威力常用释放相同能量的TNT炸药量来表示，称作“TNT当量”。此外，原子弹爆炸还会产生光辐射、强冲击波、早期核辐射、放射性沾染和核电磁脉冲等杀伤破坏作用。正如杜鲁门所说，原子弹是当时可以快速摧毁日本的唯一武器。
原子弹的研制最早起源于原子核物理学的研究，其奠基人是英国科学家卢瑟福，他在19世纪末至20世纪初发表多篇有关原子核物理学的论文，但当时的卢瑟福不可能预料到他的这些研究成果会在日后成为杀伤力巨大的原子弹研制的奠基理论。进入20世纪二三十年代，意大利的费米、奥地利的梅特勒、法国的居里夫妇、英国的查德威克等人相继获得重大突破，使原子核物理研究进入应用实验阶段。1939年初，德国科学家哈恩和斯特拉斯曼发表有关铀原子核裂变现象的论文。在随后的几个星期里，许多国家的科学家都验证了这一巨大发现，并进一步提出有可能创造这种裂变反应持续进行的条件。这一重大科学发现本应为人类开发出一种高效的新能源，但却首先被用于军事目的。同年，纳粹德国率先建立归属于德国陆军的研制原子弹的机构，其代号为“U工程”。
曼哈顿工程
1939年9月1日，德军对波兰发动闪电战，第二次世界大战由此拉开帷幕。战争爆发后不久，丹麦科学家玻尔和惠勒发表论文，从理论上阐述了核裂变反应过程，并指出能引起这一反应的最好元素是同位素铀-235，然而这一重大发现很快就被法西斯的隆隆炮声所淹没。随着纳粹德国不断扩张，欧洲大陆的一些第一流的核物理学家因不满希特勒的独裁统治而纷纷移居美国。此时德国在核物理方面的研究已经居于世界领先地位，这些客居美国的欧洲核物理学家对此深感忧虑，担心德国会首先研制出原子弹，并投入到战争之中，到那时人类将会遭受灭顶之灾。10月，西拉德等多位核物理学家联名写信给著名物理学家爱因斯坦，希望能由他出面致信美国总统罗斯福，向其阐明研制原子弹的重大意义以及美国应抢在德国之前研制成功原子弹的紧迫性。爱因斯坦随即向罗斯福写信，提请他注意德国在核物理研究方面的动向，希望美国能首先研制出原子弹，以避免战争的扩大化等。很快，罗斯福就复信同意爱因斯坦的建议，同时下令成立研究原子武器的专门委员会。
1941年12月6日，罗斯福批准一项研制原子弹的计划，即“曼哈顿工程”，但当时下拨的科研经费只有6000万美元。十分巧合的是，就在“曼哈顿工程”开始实施的第一天，日本联合舰队就发动对珍珠港美国海军基地的突然袭击，导致美军损失巨大。数年之后，“曼哈顿工程”研制出来的原子弹被投向日本本土，从而结束第二次世界大战，当然这是后话。1942年6月，已经参战的美国决定投入更多的人力、物力到原子弹的研制工作中去。美国陆军开始在在田纳西州的橡树岭（负责电力和热力生产）、华盛顿州的汉福德（负责钚的生产）、新墨西哥州的洛斯-阿拉莫斯等地秘密筹建庞大的原子弹研究和实验基地，这些秘密机构被称作“曼哈顿工程管理区”。“曼哈顿工程”由陆军部的格罗夫斯少将领导，原子弹的设计与制造工作则由奥本海默（后来被称作是“原子弹之父”）全权负责。曼哈顿工程总部直属总统，对国会议员甚至对当时的副总统杜鲁门都严格保密。从1943年到1945年7月，美国总共为原子弹的研制投入10万名科技人员和工人，耗资更是高达25亿美元。
就在美国紧锣密鼓研制原子弹的同时，纳粹德国这边的研制速度却出人意料地降了下来。原因是希特勒在很短时间内占领整个西欧大陆之后，做出了很快就能结束战争的判断，因而就没有花大力气去研制尚无十足把握的原子弹。而当战争局势出现恶化的时候，纳粹德国再来继续原子弹的研制工作时已是心有余而力不足。许多德国核物理科学家都受到纳粹政府的迫害，不是被送进死亡集中营，就是远走美国避难，从而导致德国的原子弹研制工作出现人才断层，被美国远远甩在后面。1943年2月27日深夜，挪威抵抗组织成员秘密潜入挪威维莫尔克重水工厂（纳粹德国唯一一家生产重水的工厂），使用爆炸装置成功将该工厂中的1.5吨重水及部分设备炸毁，导致德国原子弹研制工作一度陷入停顿。1944年2月，盟军轰炸机在汀斯约湖上炸沉一艘从维莫尔克重水工厂驶往德国本土的运输船，上面载有德国千辛万苦提炼出来的唯一一批重水。至此，德国制造原子弹的计划彻底破产。
升腾的蘑菇云
1945年7月16日清晨5时30分，美国第一颗原子弹在新墨西哥州的阿拉莫戈多沙漠爆炸成功。现场指挥试爆的格罗夫斯将军望着升腾起来的巨大蘑菇云，说出来的第一句话是：“战争已经结束。这种炸弹只需扔上它一两颗，日本就完蛋了。”此时，美国手中还有两颗原子弹，将它们投向哪座日本城市成为一个棘手的问题。美国陆军部长史汀生按照日本军需生产中心的标准，根据重要程度筛选出4座目标城市，它们分别是广岛、小仓、长崎和新泻。随后，杜鲁门召集马歇尔、史汀生等军队高级将领进行研究，最终确定将广岛列为第一颗原子弹的攻击目标。7月27日至8月1日，美国飞机在日本各大城市上空散发了150万张传单和300万张《波茨坦公告》，传单警告日本市民他们所在的城市即将遭到盟军的猛烈轰炸。
1945年8月6日凌晨，美国空军第20航空队第509混合大队的蒂贝茨上校驾驶一架B-29“超级空中堡垒”轰炸机携带一颗名为“小男孩”的原子弹自太平洋上的提尼安岛起飞，前往广岛执行原子弹投放任务。8时许，蒂贝茨飞临广岛上空，简单观测了一下天气状况之后投下“小男孩”。这颗原子弹在降落伞的牵引下缓缓下降，在距离地面600米的地方被引爆。刹那间，爆炸点形成一个直径100多米的巨大火球，并伴随着震耳欲聋的爆炸声。随后，这个巨大的火球升腾为一团巨大的蘑菇云，整个广岛被淹没在恐怖的黑色烟尘之中。爆炸当天，这颗爆炸当量为2万吨TNT炸药的超级炸弹炸在片刻间杀死了约8万人。8月9日上午11时30分，美国又在长崎投下名为“胖子”的原子弹，由于长崎多山，损失相对减少，但也有7万人当即死亡，1.4万人受辐射。
1945年8月15日，日本天皇裕仁向全国颁布停战诏书，宣布日本无条件投降。9月2日上午9时，在日本东京湾的美军“密苏里”号战列舰上，盟国和日本代表在《日本投降书》上签字。至此，第二次世界大战正式宣告结束。
