Az amerikaiak a Manhattan-terv részeként 1942 óta dolgoztak a nukleáris fegyver kifejlesztésén. Az első atombombát 1945. július 16-án robbantották fel az új-mexikói Alamogordo mellett. A fegyver éles körülmények közötti bevetését Harry Truman amerikai elnök augusztus 5-én engedélyezte, Hirosima után a másodlagos célpontnak Kokurát és Nagaszakit jelölték ki. Augusztus 6-án hajnalban hét B–29 bombázó szállt fel a Mariana-szigetekhez tartozó Tinian szigetéről, köztük az Enola Gay, bombaterében a 3,6 méter hosszú, 0,7 méter széles és 4,4 tonnás nukleáris fegyverrel, amely a Little Boy nevet kapta. Az első három gép az időjárás-felderítést végezte. A második hármas egyike a robbanást vizsgáló tudósokat vitte, a másik a fotózást végezte, míg a harmadik a tartalék volt. Az Enola Gay eseménytelen út után, 9400 méter magasságban oldotta ki a bombát Hirosima felett, majd délután három órakor szállt le ismét Tinianon.
A hirosimai robbanás körzetében 1,2 kilométeres sugarú körben minden a földdel vált egyenlővé. Az áldozatok pontos számát soha nem fogjuk megtudni, csak becslések léteznek: a hirosimai emlékművön 61 443 név szerepel, élelmiszerjegyét 78 150 ember nem váltotta be soha többé, míg az amerikai felderítés 139 ezerre tette az elhunytak számát. Az áldozatok többségének halálát nem maga a robbanás okozta, hanem az azt követő tűzvész, épületomlás és pánik. Sokan csak napokkal később, a hőhatás, a lökéshullámok vagy a radioaktív sugárzás következtében, elképzelhetetlen kínok közt vesztették életüket.
A sugárfertőzés okozta károsodások pontos természete még ma sem ismert. Addig ismeretlen betegségek tűntek fel, a mai napig szedi áldozatait a leukémia, a „hirosimai rák”, s még ma is gyakran születnek gyermekek genetikai torzulásokkal. (A túlélőknek Japánban külön nevük van, ők a hibakusák.) Paradox módon azonban a hirosimai ipari létesítmények szinte érintetlenek maradtak, és a hadiüzemek dolgozóinak jelentős része is túlélte a robbanást.
Az atombombát augusztus 9-én Nagaszaki városára is ledobták, ez alkalommal mintegy 60–80 ezer ember vesztette életét. (Nukleáris fegyvert háborús körülmények között mindmáig csak e két alkalommal robbantottak fel.) Hat nappal később, augusztus 15-én Hirohito császár rádióbeszédben jelentette be a feltétel nélküli megadást – a döntést nemcsak az iszonyatos pusztítást hozó robbanások miatt hozták meg, hanem azért is, mert augusztus 8-án a Szovjetunió is hadat üzent Japánnak, végleg kilátástalanná téve a további harcot. A japánok ugyanis abban reménykedtek, hogy a Szovjetunió – amellyel korábban meg nem támadási szerződést írtak alá – közvetíteni fog a felek között. A feltétel nélküli kapitulációról szóló dokumentumot a szigetország szeptember 2-án írta alá, ezzel a csendes-óceáni hadszíntéren is véget ért a második világháború.
Az atombomba első éles bevetése óta immár hét évtized telt el, de továbbra is folyik a vita arról, hogy szükség volt-e Hirosimában, de főként három nappal később Nagaszakiban az atomfegyver bevetésére, illetve hogy milyen más megfontolások vezették Truman elnököt a támadás elrendelésekor. Sokak szerint a második robbantást hadászatilag nem indokolta semmi, mert a japán hadvezetés már a megadás gondolatát mérlegelte, a szovjetek hadat üzentek, és a japán hadsereg vészes üzemanyaghiánnyal küszködött. Ezen álláspont hívei szerint az amerikai vezetés inkább az új fegyver lakott területre gyakorolt hatását akarta látni, és már a háború utáni erőviszonyokat szándékozott alakítani. Mások szerint viszont a robbantások súlyos véráldozatokat követelő hadműveleteket előztek meg, hiszen az amerikai hadsereg addig csak egyetlen japán területet, Okinava szigetét foglalta el. Az alig ezer négyzetkilométeres földdarab elfoglalása két hónapig tartott, és 12 ezer amerikai katona életét követelte. Minden bizonnyal ezek a veszteségek is hozzájárultak ahhoz, hogy a megadást elutasító Japán ellen bevessék az új fegyvert.
Az atombomba hatásának demonstrálása egyben a Szovjetuniónak is szólt, része volt a hidegháborús hatalmi játszmának, bár az amerikai atommonopólium nem tartott sokáig.