1945年7月16日5時30分美國在新墨西哥州離阿拉木郭多50英里的一片廣闊荒蕪地區成功進行了世界上首次核試驗，成為全世界第一個擁有核武器的國家。1945年8月6日美國飛行員保羅·提貝茲駕駛B-29超級空中堡壘轟炸機埃諾拉·蓋伊號在日本廣島上空投下了代號“小男孩”的原子彈，這是核武器在人類歷史上的首次實戰使用。廣島核爆的瞬間造成了七萬人死亡、七萬人受傷。
廣島核爆當晚美國總統杜魯門發表了聲明：“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，那么還將往其他地方投擲”。之后日本海陸軍統帥部專門派人前往廣島考察了原子彈爆炸的情況。這些人回到東京后遞上了詳細報告，但報告并未引起統帥部高層的重視。廣島核爆三天后美軍在日本長崎投下代號為“胖子”的原子彈造成四萬人當場死亡。
事實上廣島核爆時有些日本高官甚至認為美國只有這一顆原子彈。日本方面為什么會有這樣的想法呢？這是因為鈾濃縮在當時的技術條件下是極其困難的。二戰時期德國、日本的原子彈研發計劃其實是早于美國的。當時納粹的種族主義政策迫使相當一部分德籍猶太科學家離開了德國。奧本海默、愛因斯坦等人不僅出走美國，而且推動了美國研發原子彈的曼哈頓計劃。
1939年物理學家恩里科·費密和愛因斯坦一同向美國報告：德國科學家已掌握了鈾的原子裂變技術，而這恰恰是制造原子彈的第一步。正是在愛因斯坦等人的倡議下美國才于1942年6月開始啟動了曼哈頓計劃。相比之下日本陸軍部在1941年就開始了制造原子彈的“仁計劃”，日本海軍部也在1942年開始了制造原子彈的“F計劃”。日本陸軍部和海軍部之所以各自搞出一個原子彈研發計劃是由于日本陸海軍之間的不和造成的。
美國的資源稟賦、生產能力不就不是日本所能比的，結果有限的資源還被彼此不和的陸軍部和海軍部所爭搶，所以日本的原子彈研發計劃從一開始就被蒙上了陰影。盡管日本的原子彈研發計劃起步更早，但最后還是被美國搶先研制出了原子彈。日本原子彈研發計劃失敗的一個重要原因是缺乏制造原子彈的原料——鈾礦。當時日本人為尋找鈾礦幾乎把日本本土及日本占領區翻了個底朝天。
日本經過多方努力之后終于在福島附近找到了鈾礦。然而主持“仁計劃”的仁科教授在開采過程中提交的報告提到：以日本當前的水平及條件只能每天分離出1毫克鈾235，而要想湊滿制造原子彈所需的10公斤的量需要數萬年時間。日本顯然不可能等那么久，于是就向盟友德國尋求幫助。1943年德國曾派一艘潛艇運送一噸鈾礦石前往日本，然而提前得知這一情報的美軍在馬六甲海峽設伏擊沉了這艘潛艇。
自己的產能無法滿足原子彈的研發條件，而德國方面的外援一時間又指望不上，所以日本的原子彈研發計劃在后期實際上處于停滯狀態。日本的原子彈研發計劃后來盡管停滯了下來，但日本在研制過程中多少也體會到了鈾濃縮的難度。原子彈對1945年的美國也是一種剛研發出來的全新武器。事實上當時美國手里也沒多少原子彈，不過也并非像日本所猜測的那樣只有一顆。
當時美國一共就造出了三顆原子彈：其中一顆用于試爆了，剩下的兩顆就是1945年8月6日投擲在廣島的“小男孩”和1945年8月9日投擲在長崎的“胖子”。這就意味著當時美國國內壓根就沒原子彈了。當然美國可以再生產研發，不過以當時的生產研發水平絕不可能在短時間內再造出一顆原子彈，那么戰爭就將繼續延長。當然關于美國國內已經沒有原子彈這件事日本方面是不知情的。
日本方面曾以為廣島核爆以后美國手中就已沒有原子彈了，然而長崎核爆證明這一判斷是錯誤的，那么美國手中究竟還有多少枚原子彈呢？日本方面對此是心里沒底的。盡管日本方面憑借自己的原子彈研發計劃中對鈾濃縮難度的體驗也多少能猜到美國手中的原子彈不會太多，可這個不多究竟是一枚呢？兩枚呢？還是三四枚呢？如果美國手中要是還有原子彈會不會把下一顆投在東京呢？
美國方面當時也確實利用了這種信息上的不對稱威脅要繼續向日本扔原子彈。盡管我們現在知道這不過是美國方面嚇唬日本的虛張聲勢之舉，然而在當時這種虛張聲勢無疑對日本造成了相當大的壓力。這也成為了加速日本投降的因素之一，不過日本投降也并非完全是由于美國投擲的兩顆原子彈造成的。事實上昔日不可一世的日本帝國在1945年已是強弩之末。
日本早已深陷中國戰場無法自拔：一方面中國的正規部隊先后組織起淞滬會戰、太原會戰、武漢會戰，盡管這些戰役最終都以中國軍隊戰敗告終，然而這些抵抗有效阻滯了日軍的行動。由于中國疆域遼闊、人力充足，完全能以空間換時間。每次抵抗都減緩了日軍的攻勢，抗戰逐漸轉入相持狀態，而這恰恰是日本這個資源匱乏的彈丸島國所不能承受的。
與此同時中國共產黨領導下的八路軍、新四軍等武裝力量在人民群眾的支持下一個又一個敵后抗日根據地，從而使日軍的后勤補給線始終處于人民戰爭的打擊之下。日軍不得不同時面對來自國民黨正規軍和敵后抗日武裝力量兩方面的共同打擊。當日本深陷在中國戰場無法自拔之時又貿然將美國拉到了自己的對立面，還在南進東南亞、太平洋的過程中對英、法、荷等國的殖民地也一并打包拿下了。
這意味著日本幾乎把能得罪的國家全得罪了。1944年6月20日馬里亞納海戰結束后日本本土直接面臨從馬里亞納群島起飛的美軍B-29轟炸機的空襲，同時美軍獲得了在中太平洋上繼續進軍的前進基地，至此日本大本營劃定的“絕對國防圈”已面臨崩潰的局面。1944年6月16日美軍B-29轟炸機從中國成都起飛轟炸日本九州，戰火直接燒到了日本本土，這樣的戰略轟炸一直持續到戰爭結束。
在美軍持續的戰略轟炸過程中日本主要城市除京都、奈良等外均被摧毀。美軍的戰略轟炸造成了大量人員傷亡并造成850萬日本城市居民逃往農村，一時間工人缺勤率節節攀升。日本的戰時經濟遭到了嚴重破壞：煉油工業生產下降83%；飛機引擎生產下降了75%；飛機機體生產下降了60%；電子裝備生產下降了70%；600多家主要軍事工廠不是炸毀就是破壞嚴重。
1945年日本國內經濟已完全處于滿負荷運轉，人力資源已近枯竭，幾乎所有具備作戰能力的成年男性都被征召，國內留下的盡是一班老弱婦孺。包括首都東京在內的日本本土已遭遇美軍飛機越來越頻繁的轟炸。這年3月26日硫磺島戰役的失敗不僅使日本直接損失了23786名士兵，也使美軍得以將該島建設成供戰斗機和轟炸機起飛降落的機場，從而大幅提升了對日本政治和經濟工業中心進行戰略轟炸之效果。
1945年4月1日美軍又對日本發起了沖繩戰役，截至6月21日沖繩戰役導致日軍傷亡11萬人、被俘9000人，損失飛機7830架、艦艇20艘。沖繩戰役的失敗使日本本土直接暴露在美軍的攻擊之下。這時作為日本戰時盟友的德國和意大利兩個法西斯軸心國均已投降，在日本國內東條英機內閣被迫辭職，鈴木貫太郎繼任新一屆政府。然而直到此時日本國內仍有相當一部分頑固的軍國主義分子叫囂要進行“一億玉碎”的本土決戰。
這時日本還有496.5萬陸軍正規軍和為數更多的準軍事預備役。準備進行本土決戰的數萬日軍進入了九州島和本州島的防御陣地。老人、婦女和兒童也被訓練使用手榴彈、刀劍和長矛，他們甚至準備在身上綁上炸藥包，鉆到美軍坦克底下引爆。直到1945年7月16日之前美國的戰略規劃仍是立足于登陸日本本土進行戰略決戰并為此而制訂了詳細的“沒落行動”計劃。
這一計劃具體又細分為奧林匹克行動和小王冠行動：前者1945年11月1日實施，目標是占領九州島南部約三分之一左右的領土，使之與已經占領的沖繩成為下一步進攻的主要基地；后者計劃于1946年5月1日實施，其目標直指迫近東京的關東平原。這一計劃預計將動用250萬美軍部隊并預計將付出150萬美軍官兵傷亡的代價，這已超過美軍在歐洲戰場的傷亡總數。
美國是一個對戰爭傷亡極為敏感的國家，所以美國試圖尋求蘇聯方面的援助。本來根據在1945年2月4日至11日召開的雅爾塔會議上蘇聯與美、英等國達成約定：蘇聯將在對德戰爭結束后2—3個月內參加對日作戰，但與此同時又提出了維持外蒙古的現狀；庫頁島南部及鄰近島嶼交還蘇聯；大連商港國際化；蘇聯租用旅順港為海軍基地；蘇、中共同經營中東鐵路和南滿鐵路；千島群島交予蘇聯等一系列條件。
美國認為如果這樣做對蘇聯讓步太多，可有求于人的美國還是同意了蘇聯的要求。美國為借助蘇聯等盟國的力量還曾制訂過類似于德國那樣的分區占領日本的方案：預計美軍將派出12個師20萬人（這其中包當時處于日本占領下的朝鮮半島的兩個師3萬人），中、英、蘇三國各派一個師作為占領軍。如果這一計劃付諸實施，那么隨著冷戰時期美蘇對峙格局的形成將極有可能導致日本像德國一樣一分為二。
如果日本繼續負隅頑抗固然會給盟軍造成傷害，不過也可能會給日本招來滅頂之災。美軍的“沒落行動”計劃在做出需要付出150萬美軍官兵傷亡的代價這一預計的同時也對日本平民的傷亡做出了估計，最終得出的結果是可能在1000萬以上。當時蘇聯也制訂了一個“富士山計劃”：用所謂超級炸彈丟進富士山的火山口，從而引發足以導致日本島沉的大規模地震。
日本是一個地殼結構非常不穩定的島國，因此才導致了日本時常發生地震等地質災害。而富士山作為日本最大的活火山對日本的地殼運動有著絕對性的作用，所以蘇聯人就據此想出了“富士山計劃”。這一計劃聽起來似乎能給日本帶來滅頂之災，其實卻不具備現實的可操作性，因為一般的炸彈是不可能引起足以導致日本沉沒的地質結構變化的，要引起如此巨大地質結構變化的恐怕只能是核武器。
實際上蘇聯直到1949年才研制出原子彈，而那時日本早已投降。當然蘇聯人也沒把所有希望都寄托在這種尚未研發出來的超級炸彈上，他們也制訂了詳細的登陸日本的計劃。當時盟軍的總體思路是：由已占領沖繩的美軍由南向北進攻九州島和本州島南部地區，由蘇軍則在拿下庫頁島和千島群島后從東北部攻入北海道，從而實現南北夾擊日本的戰略態勢。
1945年7月16日美國在新墨西哥州成功試爆了第一顆原子彈，正是這一事件促使美國下決心改變原來的作戰計劃。美國之所以這樣做一方面固然是希望減少因登陸作戰造成的美軍官兵的傷亡，另一方面其實是希望將蘇聯排除在戰后對日占領的行動之外，因為這時日后美蘇冷戰的跡象已若影若現。在此之前日蘇之間雖曾在張鼓峰和諾門罕兩度交鋒，但都沒真正撕破臉皮。
盡管蘇日之間一直相互提防，蘇聯還曾派遣大規模的軍援和援華“志愿航空隊”幫助抗戰，但至少在官方層面一直是和日本保持著正常的外交關系的。1941年日本和蘇聯還簽訂了《蘇日中立條約》，在日本看來：在蘇聯最危險的時刻日本并沒撕毀《蘇日中立條約》而配合德國入侵蘇聯，而美蘇之間日益表現明顯的矛盾分歧使日本進一步相信自己完全可以利用美蘇矛盾漁利。
事實上直到此時蘇日合作的北庫頁島薩哈林油田（日本稱其為北樺太）仍在為日本提供戰爭油料。1945年8月6日美軍飛機在日本廣島投下了代號為“小男孩”的原子彈——實際上這時美國的一石二鳥之計：一方面對日本產生巨大的心理震懾作用，另一方面使蘇聯意識到即使沒蘇聯出兵配合美國也能迫使日本投降。蘇聯方面也的確意識到了：日本投降已成定局，如果蘇聯再不參戰將完全失去戰后的遠東話語權。
這時日本也意識到了蘇聯可能對日宣戰，然而此時早已走投無路的日本當局只能死馬當活馬醫地把全部希望寄托在蘇聯的調停上，然而很快他們這一指望就破滅了——因為他們被蘇聯方面告知：即日起蘇聯與日本處于戰爭狀態。8月8日蘇聯紅軍及蒙古軍隊越過中蘇、中蒙邊境開始展開對日本關東軍的“八月風暴”軍事行動，一天之后美軍在日本長崎投下代號為“胖子”的原子彈。
蘇聯對日宣戰的次日零時10分蘇聯百萬軍分四路越過中蘇、中蒙邊境，向駐守東北之關東軍發動全線進攻。兩顆原子彈徹底摧毀了日本將戰爭進行下去的信心，而蘇聯的參戰則使日本以調停結束戰爭的希望最終破滅。1945年8月15日裕仁天皇頒布了終戰詔書，事實上日本方面始終堅持認為他們不是無條件投降，事實上在當時日本天皇頒布的《終戰詔書》也采用了極其模糊的說辭。
《終戰詔書》只提及終結戰爭狀態，而并未公開聲明投降。與此同時日本方面還厚顏無恥地提出三個條件：不得妨害天皇治國大權、自主處理戰犯、不允許多個國家同時入駐日本。主導對日占領的美國駁回了日本關于自主處理戰犯的要求，而是與中國、英國、法國、蘇聯、加拿大、澳大利亞、新西蘭、荷蘭、印度、菲律賓十個戰勝國一起組建遠東國際軍事法庭審判日本戰犯。
不過美國出于自身的戰略利益仍有意識地包庇了部分日本戰犯，同時也保留了日本的天皇制。至于不允許多個國家同時入駐日本的要求可謂正中美國的下懷，于是美軍迅速接管了整個日本，此時剛拿下北方四島的蘇聯停止了繼續進攻北海道的軍事行動，美國實現了對日本的單獨占領。正是美國在這時投下原子彈使戰爭得以提前結束，從而避免了蘇聯的進一步軍事行動，也使日本避免了像德國那樣被一分為二的命運。