8時整，飛機在廣島上空出現，隨著一聲令下，投彈手將原子彈投擲出去。原子彈脫離彈艙五十秒鍾後，在離地麵六百米的空中立即放出令人眼花目眩的白色閃光，隨即是震耳欲聾的大爆炸。
整個廣島靠近爆炸中心的人，大部分死亡，當天就有78150人死亡，負傷和失蹤的人數為51408人。全市的建築物幾乎全部被摧毀。據日方資料，共死亡11.8661萬人、占總人口的38%；傷7.9130萬人，生死不明者3677人，占總人口的25%。受害者合計20.1468萬人，占總人口的63%。
16小時後，美國總統杜魯門發表聲明，要求日本政府趕快接受波茨坦發出的最後通牒，以便日本人民免受其難，否則就將再次遭受來自空中的毀滅。
日本政府雖然得到了廣島第2軍司令部，關於“美國使用了具有從未見過破壞力的高性能炸彈”，和廣島悲劇的報告，但仍沒有立即同意接受“無條件投降”。他們把希望寄托在蘇聯進行調停上。
出乎日本意外，蘇聯外交人民委員莫洛托夫於8月8日告訴日本駐蘇大使：因為日本仍在進行戰爭，拒絕接受《波茨坦公告》，所以日本請求蘇聯調解遠東戰爭的建議沒有希望，蘇聯政府遵守蘇、美、英三國首腦在雅爾塔會議的義務和要求，參加對日作戰。
8月9日淩晨，蘇聯對日宣戰。百萬蘇聯紅軍從三麵向日軍發起攻擊，日軍遭到毀滅性打擊，很快被擊潰。
8月9日上午，日本最高戰爭指導會議在皇宮地下防空洞舉行，討論是否接受《波茨坦公告》。正當會議在激烈爭論時，10時58分，美國在長崎投下了第二顆原子彈。
按照預定計劃，美國的第二顆原子彈應於8月11日投在日本小倉。由於氣象原因，決定提前到9日投擲。但是9日這天小倉的氣象情況仍不好，美機3次進入該地區都未發現目標，於是臨時決定投在長崎。由於長崎地處山穀，所遭受損失較廣島小，但死亡仍在7萬人以上。
由於美國投了兩顆原子彈，給日本造成了很大的震憾。美國一再聲稱是這兩顆原子彈才迫使日本無條件投降的。事實上，當時日本法西斯已經處於窮途末路了，投擲原子彈是促使日本投降的一個重要因素，加速了日本投降的進程。
中美英三國“波茨坦公告”發表後，日本仍然把希望寄托在蘇聯身上，企圖通過蘇聯的斡旋，在對日本有利一些的條件下結束戰爭。然而，這是日本的一廂情願。
8月5日，斯大林讓莫洛托夫於8日接見日本駐蘇大使佐滕，交給了他蘇聯對日宣戰的宣言，要佐滕通知日本政府。該宣言指出：
“美、英、中三大強國，今年7月26二日關於日本武裝部隊無條件投降的要求已被日本拒絕，因此，日本政府要求蘇聯調解遠東的建議已失去一切根據。鑒於日本拒絕投降，盟國建議蘇聯政府參加反對日本侵略的戰爭，這樣使戰爭結束的時間更加接近，減少犧牲者數目，並加速一般和平的最早恢複。蘇聯政府忠實於其對盟國的義務，接受盟國的建議，並參加盟國今年7月26日的公告。由於以上各點，蘇聯政府宣布：從明天即9日起，蘇聯將認為其本身與日本進入戰爭狀態。”
蘇聯的宣戰，對日本是晴天霹靂。日本企圖爭取蘇聯為居間人結束戰爭的最後一線希望徹底破滅了。
這次作戰，蘇軍是在占絕對優勢的條件下發起的。為了參加對日作戰，蘇聯紅軍以80個師的陸軍、2.6萬餘門火炮、5500餘輛坦克和自行火炮、3800餘架飛機，500餘艘軍艦（艇）和1500餘架海軍航空兵飛機，總計達150餘萬人的強大兵力，從西、東、北3個方向，同時向日本關東軍發起攻擊。並在南庫頁島和千島群島實施登陸作戰。
從8月9日零時蘇軍發起對日作戰，至9月2日日本正式簽訂投降書，曆時24天。蘇聯把這次戰略性進攻戰役稱之為“遠東戰局”，中國稱其為遠東戰役。是役，包括五個戰役，即在中國東北地區進行的三個進攻戰役，南庫頁島和千島群島登陸戰役。
此時的日本關東軍轄有第一、第三方麵軍、6個軍和1個航空軍，共24個師團、12個旅團70餘萬人。擁有火炮5000餘門、坦克160輛、飛機650架，另有偽滿軍和偽蒙軍20餘萬人，日軍總兵力近100萬。在邊境線上，關東軍建有17個建築地域，總長1000餘公裏，共有8000餘個永久性工事和土木建築的發射點，具有較強的防禦能力。
日軍大本營估計，蘇聯軍隊最早要到9月底或者更晚一些時間，才能夠集中足夠的兵力發起進攻。並判斷主要進攻方向是蘇聯的遠東濱海地區。因此，日軍的防禦重點在中國東北東部方向。
7月5日，日本大本營確定關東軍對蘇作戰方針是，利用滿洲廣闊地域粉碎敵之進攻；不得已時，也要堅守長春到大連以東、長春到圖門線以南要地，堅持長期作戰。
依據上述方針，關東軍將第一方麵軍的24萬人布置在中國東北東部。將獨立第4集團軍約10萬人布置在東北的北部和西北部；將第五方麵軍約20萬人集結在長春、沈陽地區作為機動部隊；第17方麵軍約21萬人布置在朝鮮境內，作為戰役預備隊。