就在原子彈轟炸之前，美軍陸航早已調集其他航空隊加入對日本本土的攻擊。以1945年6月攻占的衝繩島為前進基地，西南太平洋的第五航空隊、中太平洋戰區的第七航空隊、南太平洋戰區的第十三航空隊蜂擁而至，準備從空中徹底壓垮日本，並支援計劃中的對日本本土登陸戰役。
在“小男孩”和“胖子”爆炸後的一周裏，低空飛行的美軍戰鬥機飛行員彙報說觀察到地麵上有日本人朝著天空揮舞白旗。由此可見，日本人的士氣已經跌落到一個相當低的程度了。
8月14日，從馬裏亞納群島三個基地，749架B-29傾巢出動，這是曆史上B-29第二大出擊架數的行動。轟炸機洪流分成兩個波次分別轟炸7個日本目標，其中418架B-29負責轟炸日本城市和鐵路編組站，其餘B-29轟炸位於土崎（位於東京以北約500公裏）的煉油廠。
這次轟炸行動中，每個機組的無線電員都時刻注意接聽來自基地的通知，因為美國此時正在等待日本的決定，是投降還是繼續頑抗，這也決定了轟炸行動是否要繼續。隨著越來越接近日本本土，所有人都很焦躁，炸還是不炸，這是一個問題。最終，指令傳來了：執行轟炸。
這一次大轟炸中，阿姆斯特朗準將再次親自上陣，他指揮下的141架B-29中，有132架對土崎的煉油廠實施了轟炸。這也是美國陸航在太平洋戰場上最長的戰鬥飛行戰例：在沒有空中加油的情況下，從馬裏亞納到土崎，來回飛行距離6000公裏，飛行時間17個小時。
在日本海麵上的美國海軍特混艦隊航母上，很多飛行員和水兵都觀察到了從他們頭頂上空隆隆而過的轟炸機洪流。海盜式戰鬥機飛行員迪克·迪蒙特回憶說：“當天有很多謠傳，也有一些正式報告，說日本政府已經廣播宣布接受盟軍波茨坦公告，無條件投降。但是我們誰也不知道這是不是意味著這場仗真的結束了。我能聽到從我們上空飛過的B-29發出的轟鳴聲，這些陸航的小夥子們還在給日本人送去問候，希望他們的禮物能讓日本人腦袋開點竅。”
日軍幻想在登陸戰時大敗美軍的宣傳畫。
裕仁天皇投降詔書，其中特別提及“而戰局必不好轉，世界大勢亦不利我。加之敵新使用殘虐爆彈，頻殺傷無辜，慘害所及，真至不可測。”由此可見戰略轟炸攻勢以及兩枚原子彈對日本軍國主義者的強烈震懾。
8月15日，日本時間早晨04：35，第38特混艦隊的航母甲板上，一架架戰鬥機的發動機開始發動，當天計劃有兩次攻擊行動。而在空中，剛執行完8月14日轟炸任務的329架B-29還在返航飛向馬裏亞納基地的途中。阿姆斯特朗準將回憶道：“當我們完成投彈撤離時，我們從無線電通訊裏收聽到美國國內的廣播，播音員興奮地報道日本已經投降了，戰爭結束了！從參與歐洲戰場上第一次晝間轟炸到太平洋戰場上最長飛行距離轟炸任務，我想現在是時候結束了。機組裏的每一個人都是欣喜若狂，但是心中都有點苦澀地想起那些沒有能看到這一天的戰友們。在這種哀傷和欣喜的心情交織下，真可謂五味雜陳。在我指揮下的小夥子們中，有些人已經征戰了4年多，簡直有點不適應和平生活了。”
1945年8月15日，日本時間正午，裕仁的投降詔書錄音通過無線電播放，日本無條件投降了。
雖然日本本土還有近百萬軍隊和近萬架各型飛機，但是在戰略轟炸、海上封鎖、原子彈轟炸及蘇軍出兵、中國軍隊的反攻等多重打擊下，即使再頑固的日本軍閥也不得不認識到他們已經走到了末路。日後，美國陸軍航空兵指揮官阿諾德將軍在給陸軍部長的報告中總結了過去幾年的對日戰略轟炸：