對日本投擲原子彈的決策幾乎與《波茨坦公告》的簽署和公布同時進行。7月23日，曼哈頓（即研製原子彈）計劃工程負責人格羅夫斯將軍為即將進行的從太平洋馬裏亞納群島的提尼安島出發對日本實施原子彈突襲的軍事行動，擬定了最後的書麵命令。7月24日，杜魯門立即批準了這一命令，並以美國陸軍部的名義，指令美國陸軍戰略空軍部隊司令卡爾·斯波茨將軍派遣第20航空隊第509混合大隊，於1945年8月3日後在氣候許可目擊轟炸的條件下，立即在日本廣島、小倉、新渴和長崎4個城市中選定一個目標，投擲這種特種炸彈。負責這一特殊任務的美第20航空隊第509混合大隊，全部進入待命狀態。在杜魯門決定對日本使用原子彈的當天，出席波茨坦會議的杜魯門有意識地向斯大林透露了美國研製原子彈已經成功的消息：“我們擁有一種破壞力特別巨大的新武器”。斯大林聽後並沒有表出現異常的反應，隻是冷冷地回答說，他聽到這個消息很高興，希望美國人“好好地運用它來對付日本人”。美國企圖以原子彈對蘇聯施加政治壓力，迫使蘇聯領導人在戰後世界安排問題上讓步的企圖未能達成。
1945年7月26日，中、美、英三國以共同宣言的形式，發表了促令日本投降的波茨坦公告。公告義正詞嚴地警告日本政府：“……日本必須決定一途，其將繼續受其一意孤行估算錯誤，使日本帝國已陷於完全毀滅之境的軍人統製，抑或走向理智之路……吾人通告日本政府立即宣布所有日本武裝部隊無條件投降，並對此種行動誠意實行予以適當之各項保證，除此一途，日本即將迅速完全毀滅”與此同時，杜魯門還指令美國政府的情報機構迅速用一切可能的方法使波茨坦公告的內容讓日本人知道。從7月27日到8月1日，盟國飛機在日本各大中城市上空散發150萬張傳單和300萬張波茨坦公告。傳單對這些城市發出警告：如日本不投降，它們將受到大規模的猛烈空中轟炸。每次傳單散發過後，美機接著就是一次常規炸彈的轟炸。波茨坦公告發表後，日本統治集團在戰與和的問題上，始終意見不一。以外相東鄉茂德為首的一批文職要員，主張看蘇聯是否參戰等情況而定。以陸相阿南惟幾、陸軍參謀長梅津美治郎、海軍參謀長豐田副武等為首的一批軍界頭目，則堅持把戰爭進行到底的強硬態度。7月28日下午，鈴木貫太郎首相接見記者時就日本政府對於波茨坦公告的態度發表聲明說，波茨坦公告沒有任何主要價值，“隻有對它置之不理，我們將堅決把戰爭進行到底”。而且，日本政府害怕波茨坦公告內容會影響其國民和軍隊的士氣，將其刪除了一部分後，才在報紙上發表。日本公開拒絕接受波茨坦公告，促使杜魯門決定按原計劃對日本使用原子彈。
1945年8月6日2時45分，美國空軍上校蒂貝茨駕駛裝載著原子彈的B-29型重型轟炸機“埃諾拉·蓋伊”號，由2架飛機護航，自馬裏亞納群島的提尼安島起飛。它以每小時456公裏的速度在9760米的高空飛行，8時許飛抵日本廣島上空，投下一顆原子彈，其重量為9000磅，高10英尺，當量為2萬噸梯恩梯。廣島當時的人口共34.3萬人，其南麵最近的宇品，長期用作陸軍的海運基地，在市東部有很多後勤工廠、倉庫。從1945年4月起，日本陸軍第2總軍司令部設置在此。上午8時15分原子彈在市中心上空爆炸。在接近爆炸中心地區的居民大部分被炸死，幸而逃脫的也呻吟於燒傷之中，約有7.8萬餘人喪生，5.1萬餘人負傷或失蹤。全市建築物總數7.6萬餘幢，全毀者4.8萬幢，半毀者2.2萬餘幢。罹災人數達17.7萬餘人。