Les bombardements atomiques d'Hiroshima et de Nagasaki, ultimes bombardements stratégiques américains au Japon, ont lieu les 6 et 9 août 1945 sur les villes d'Hiroshima (340 000 habitants) et de Nagasaki (195 000 habitants). Hiroshima est le siège de la 5e division de la deuxième armée générale et le centre de commandement du général Shunroku Hata, et Nagasaki est choisie comme cible plutôt que la cité historique de Kyoto.
Utilisant a posteriori le prétexte du rejet par les dirigeants japonais des conditions de l'ultimatum de la conférence de Potsdam, les États-Unis souhaitent imposer au Japon sa reddition sans condition, l'éviction de l'empereur Hirohito et l'adoption d'un régime politique démocratique. Le gouvernement américain souhaite aussi, puisque la bombe A est désormais opérationnelle (Little Boy à l'uranium, Fat Man au plutonium), la tester en grandeur nature et montrer aux autres pays, en particulier à l'URSS, la supériorité de feu décisive qu'elle donne à l'Amérique, ce qui fait de ces bombardements un message annonciateur de la guerre froide. Ces bombardements, que certains considèrent comme l'un des principaux crimes de guerre des Alliés, demeurent la seule utilisation de l'arme nucléaire durant un conflit.
C'est finalement le 14 août, à la suite de ces bombardements, mais aussi de l'invasion soviétique de la Mandchourie commencée le 8 août et de la reddition de l'armée japonaise du Guandong le 10 août, que le gouvernement japonais cède et accepte sa capitulation. Moins d'un mois plus tard, la signature des actes de capitulation du Japon le 2 septembre 1945 en baie de Tokyo marque la fin de la Seconde Guerre mondiale.
Le nombre de personnes tuées par l'explosion, la chaleur et la tempête de feu consécutive est difficile à déterminer et seules des estimations sont disponibles, allant de 103 000 à 220 000 morts, sans compter les cas ultérieurs de cancers (plusieurs centaines) ou autres effets secondaires. Les survivants des explosions, les hibakusha, sont devenus le symbole d'une lutte contre la guerre et les armes atomiques à travers le monde.
L'impact de ces bombardements fait craindre par la suite l'usage de l'arme atomique dans une guerre nucléaire, un effet à la base de la dissuasion nucléaire qui a largement pesé dans les choix stratégiques de guerre froide.
Sous le nom de code projet Manhattan, le programme secret de recherche et de construction d'une arme nucléaire est lancé en 1942, moins de sept mois après l'entrée en guerre des États-Unis, avec l'assistance du Royaume-Uni et du Canada dans le cadre de l'accord de Québec signé en 1943, et la participation de nombreux scientifiques européens.
Les deux bombes utilisées contre le Japon (Little Boy à l'uranium et Fat Man au plutonium) sont respectivement les deuxième et troisième à avoir été construites et elles demeurent les seules déployées depuis cette date sur un théâtre d'opérations. Elles sont précédées par une première bombe expérimentale dont l'essai a eu lieu sous le nom de code Trinity au Nouveau-Mexique en juillet 1945.
En décembre 1944, le 509e escadron de bombardement de l'USAAF est formé sous le commandement du colonel Paul Tibbets pour larguer ces bombes une fois qu'elles seront construites ; il est déployé à Tinian en mai et juin 1945.
Cet escadron est équipé de bombardiers B29 issus d'une série spéciale, fabriquée en vue des bombardements atomiques, dite « Silverplate », du nom du programme de participation de l'USAAF au projet Manhattan. Il s'entraîne à l'aide de bombes conventionnelles, mais construites au gabarit des bombes atomiques, les « bombes citrouille ».
Les deux bombardiers qui vont larguer leur bombe sur Hiroshima et Nagasaki, Enola Gay et Bockscar, appartiennent à cette série spéciale.
Trinity est le nom du tout premier essai d'une bombe atomique au plutonium, surnommée « Gadget » en partie parce que ce n'est pas une arme opérationnelle. Il a lieu dans le désert du Nouveau-Mexique, le 16 juillet 1945, sur la base aérienne d'Alamogordo et démontre l'efficacité d'une arme nucléaire.
Quatre jours plus tard, les B-29 modifiés du 509e escadron de bombardement commencent à mener des raids d'entraînement contre des villes japonaises avec des bombes conventionnelles de la forme et du poids des bombes atomiques ; d'autres missions ont lieu les 24, 26 et 29 juillet. Les chasseurs japonais n'essaient pas d'intercepter les appareils que leur altitude de bombardement de 9 100 m protège contre la lutte antiaérienne.
Les participants (le directeur adjoint du projet Manhattan Thomas Farrell (en), le capitaine William Sterling Parsons, les mathématiciens et physiciens John von Neumann et William Penney) à la réunion du « Comité des objectifs » (Target Committee) à Los Alamos les 10 et 11 mai 1945 choisissent les cibles sur le territoire japonais dans l'ordre suivant :
Kyoto (ville des ancêtres de la dynastie Tennō et ancienne capitale du Japon, l'impact psychologique en était jugé particulièrement intéressant) ;
Hiroshima (ville des ancêtres du domaine de Chōshū, c'était l'une des principales bases militaires du pays pendant la guerre sino-japonaise (1894-1895) et la configuration du terrain se prêtait à une attaque par détonation aérienne) ;
Yokohama (qui finalement subit un bombardement classique le 29 mai 1945) ;
l'arsenal de Kokura (déjà frappé lors du bombardement de Yahata en juin 1944) ;
Parmi ces cibles, les deux premières sont classées « AA », les deux suivantes « A », la cinquième « B ». La possibilité de cibler le palais impérial à Tokyo avait été discutée, mais cette option non recommandée dans la mesure où Tokyo avait déjà été largement bombardée par ailleurs.