与此相反，另一批以詹姆斯·弗兰克和利奥·西拉德为首的、原子能科学家以及其他数十名在橡树岭等地从事原子弹研制工作的科学家，于6月下旬联名上书，向史汀生提交了一份报告，强烈反对使用原子弹。他们在信中写道：“用原子弹突然袭击日本而得到的种种军事上的好处和拯救美国人民免于牺牲，要是和因此而激起遍及全世界的恐怖和厌恶情绪相比，那是得不偿失的……如果美国首先对人类投下这种毁灭一切的新武器，它将丧失全世界公众的支持，助长了军备竞赛，损害了有朝一日达成控制这种武器的国际协定的可能性……从这些考虑出发，我们相信，用原子弹对日本进行一次早期袭击，是不可取的”然而，一部分科学家的反对意见并未动摇杜鲁门总统对日使用原子弹的决心，他自信地写道：“我认为原子弹是一种战争武器，从来没有人怀疑过可以应用它。”“我们必须用原子弹来袭击敌人，至于何时何地去投掷原子弹，则由我作最后决定”7月16日，人类历史上第一颗原子弹在美国新墨西哥利的沙漠地区阿拉莫戈尔多试验爆炸成功，其威力相当于1吨烈性炸药三硝基甲苯（T.T）的2万倍。当日上午，正在德国参加波茨坦会议的杜鲁门收到了“婴儿安全诞生了”的电报。17日，史汀生专程飞到波茨坦，向杜鲁门汇报了原子弹爆炸成功的详细情况。此后几天，杜鲁门便与所属军政要员进一步研究对日使用原子弹的具体细节。
对日本投掷原子弹的决策几乎与《波茨坦公告》的签署和公布同时进行。7月23日，曼哈顿（即研制原子弹）计划工程负责人格罗夫斯将军为即将进行的从太平洋马里亚纳群岛的提尼安岛出发对日本实施原子弹突袭的军事行动，拟定了最后的书面命令。7月24日，杜鲁门立即批准了这一命令，并以美国陆军部的名义，指令美国陆军战略空军部队司令卡尔·斯波茨将军派遣第20航空队第509混合大队，于1945年8月3日后在气候许可目击轰炸的条件下，立即在日本广岛、小仓、新渴和长崎4个城市中选定一个目标，投掷这种特种炸弹。负责这一特殊任务的美第20航空队第509混合大队，全部进入待命状态。在杜鲁门决定对日本使用原子弹的当天，出席波茨坦会议的杜鲁门有意识地向斯大林透露了美国研制原子弹已经成功的消息：“我们拥有一种破坏力特别巨大的新武器”。斯大林听后并没有表出现异常的反应，只是冷冷地回答说，他听到这个消息很高兴，希望美国人“好好地运用它来对付日本人”。美国企图以原子弹对苏联施加政治压力，迫使苏联领导人在战后世界安排问题上让步的企图未能达成。
1945年7月26日，中、美、英三国以共同宣言的形式，发表了促令日本投降的波茨坦公告。公告义正词严地警告日本政府：“……日本必须决定一途，其将继续受其一意孤行估算错误，使日本帝国已陷于完全毁灭之境的军人统制，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装部队无条件投降，并对此种行动诚意实行予以适当之各项保证，除此一途，日本即将迅速完全毁灭”与此同时，杜鲁门还指令美国政府的情报机构迅速用一切可能的方法使波茨坦公告的内容让日本人知道。从7月27日到8月1日，盟国飞机在日本各大中城市上空散发150万张传单和300万张波茨坦公告。传单对这些城市发出警告：如日本不投降，它们将受到大规模的猛烈空中轰炸。每次传单散发过后，美机接着就是一次常规炸弹的轰炸。波茨坦公告发表后，日本统治集团在战与和的问题上，始终意见不一。以外相东乡茂德为首的一批文职要员，主张看苏联是否参战等情况而定。以陆相阿南惟几、陆军参谋长梅津美治郎、海军参谋长丰田副武等为首的一批军界头目，则坚持把战争进行到底的强硬态度。7月28日下午，铃木贯太郎首相接见记者时就日本政府对于波茨坦公告的态度发表声明说，波茨坦公告没有任何主要价值，“只有对它置之不理，我们将坚决把战争进行到底”。而且，日本政府害怕波茨坦公告内容会影响其国民和军队的士气，将其删除了一部分后，才在报纸上发表。日本公开拒绝接受波茨坦公告，促使杜鲁门决定按原计划对日本使用原子弹。
1945年8月6日2时45分，美国空军上校蒂贝茨驾驶装载着原子弹的B—29型重型轰炸机“埃诺拉·盖伊”号，由2架飞机护航，自马里亚纳群岛的提尼安岛起飞。它以每小时456公里的速度在9760米的高空飞行，8时许飞抵日本广岛上空，投下一颗原子弹，其重量为9000磅，高10英尺，当量为2万吨梯恩梯。广岛当时的人口共34.3万人，其南面最近的宇品，长期用作陆军的海运基地，在市东部有很多后勤工厂、仓库。从1945年4月起，日本陆军第2总军司令部设置在此。上午8时15分原子弹在市中心上空爆炸。在接近爆炸中心地区的居民大部分被炸死，幸而逃脱的也呻吟于烧伤之中，约有7.8万余人丧生，5.1万余人负伤或失踪。全市建筑物总数7.6万余幢，全毁者4.8万幢，半毁者2.2万余幢。罹灾人数达17.7万余人。
在美国对日本使用原子弹的当天，华盛顿新闻媒体发布了原子弹的新闻公报和杜鲁门总统关于原子弹的声明：“6日投在广岛的原子弹，将对战争起到革命性变化。假如日本仍不接受投降的话，还将往其他的地方投掷”在美国广播之后，日本陆、海军统帅部始从广岛及吴镇府两地接到了有关新型炸弹的稍为详细的报告。但在8月8日的日本各大报纸上登载日本大本营7日的通告中，决定暂不使用“原子弹”一词，只是说：“广岛由于遭受新型炸弹的轰炸，损失相当严重。”“这种炸弹并不可怕，我方有办法对付”。日本政府仍然拒绝投降。从8月6日至8月8日，日本政府当局连内阁会议也未召开，原定召开的最高军事会议也取消了，根本就没有讨论过出现原子弹的问题。他们所关心的焦点或者说寄希望的是8日夜间预定在莫斯科举行的佐藤大使和莫洛托夫外长会谈的结果。8月8日，苏联对日宣战。9日零时，苏军从中国东北地区向日本关东军发起总攻。上午10时30分，日本最高战争指导会议研究和与战的问题。11时30分，美国又在长崎投下第二颗原子弹。当时长崎人口约27万，当日死亡2.4万余人，受伤4.3万余人，总计6.7万余人，占长崎总人口的25％。
美国对日本使用原子弹和苏联参加对日作战，加速了日本投降。8月6日下午，日本天皇面谕东乡外相：“敌方既然使用了这种武器，继续战争越发不可能了。为争取有利条件，不可错过结束战争的时机”8月9日上午，日本最高战争指导会议召开，“致使天皇以及木户内大臣、铃木首相、东乡外相、米内海相、近卫公、重光前外相和其他历来支持早日停战的要人更加坚定了决心，认为除迅速接受波茨坦公告以结束战争外，别无他法”8月10日，日本政府向美、英、中、苏（通过瑞士和瑞典的外交渠道）发出照会，如果天皇地位不变，它准备接受波茨坦公告所列举的条款。8月11自，经过磋商，盟国决定让日本保留天皇，但天皇必须授权并保证日本政府及帝国大本营签署为执行波茨坦公告所必需的投降条件，天皇和日本政府必须听从盟国最高统帅的命令，并由美国国务院通过瑞士政府发出苏、美、英、中对日本声明的答复。8月15日，日本向全国播发了天皇接受波茨坦公告，实行无条件投降的诏书。
二战结束后，世界各国对美国在即将走向失败的日本使用原子弹褒贬不一。客观公正地说，二战进行到1945年7月时，日本法西斯已处于四面楚歌，孤立无援的境地。中国战场的持久抗战，歼灭日军100多万人，并牢牢牵制了日本陆军主力；美、英盟军在太平洋战场的反攻逼近日本本土，摧毁了日本的庞大海军舰队和空中力量，切断了日本与南方的海上联系，日本的战时经济遭到彻底破坏，国内各种矛盾日趋尖锐。日本军国主义的彻底灭亡已指日可待，这是不容置疑的。但日本军政首脑中的大多数人仍不甘心失败，一直不放弃所谓进行日本“本土决战”。因此，这时美国对日本投掷原子弹，加上苏联出兵对日作战，不用说，它起到了加速日本政府作出迅速投降决定的作用。
5.苏军的远东攻势
波茨坦公告发表后，日本最高战争指导会议于1945年7月27日开会，讨论波茨坦公告与苏联调停的问题。军部阿南惟几陆相、梅津美治郎参谋总长等主战派以种种条件为理由主张全面拒绝波茨坦公告；东乡外相等人则认为：苏联政府未在波茨坦公告上签名，因此苏联对日本仍然保持着法律上的中立，且盟国对过去所提出的无条件投降的要求有所缓和，所以应当先看一看苏联的态度，然后再最后决定日本的态度。
日本公开拒绝波茨坦公告，同盟国只有对日本法西斯进行最后一战。美国杜鲁门政府为了争取掌握占领日本的主动权，急欲单独迫使日本投降，以便获得在战后同苏联对抗的有利战略地位，遂于8月6日抢在苏联出兵之前在日本广岛投下第一颗原子弹。9日，又在长崎投下了第二颗原子弹。日本居民遭受的灾害是日本军国主义政府拒不投降的结果。8月8日17时（莫斯科时间，东京时间为当日23时），苏联外交人民委员莫洛托夫召见日本驻苏大使佐藤尚武，交给他一份苏联对日宣战书，宣布参加波茨坦公告，并当面宣布，苏联从8月9日起同日本处于战争状态。
苏联对日宣战，大大出乎日本意料之外。日军原来判断，苏军对德作战结束后，需要休整，对日作战时间可能在1946年春，最早也要在1945年9月上旬；苏军的主要进攻方向，可能由苏联远东滨海地区向中国东北实施。关东军根据这一判断，把防御重点定在中国东北的东部方向。
8月8日夜，苏军3个方面军、太平洋舰队和黑龙江区舰队的部队占领进攻出发阵位。9日零时，各先遣支队越过国境。拂晓，主力先后发起进攻，航空兵分两批袭击哈尔滨、长春、吉林和沈阳，太平洋舰队在日本海积极行动。
在西线，后贝加尔方面军各先遣支队利用夜暗，不经炮火准备，同时在所有方向越过国境。4时30分，方面军主力开始进攻，基本未遇日军抵抗。坦克第6集团军在相隔70余公里的两个方向上成两路以疏开队形快速前进，战役第一天前进150公里。10日下午，又前进100余公里，主力到达大兴安岭。由于进展顺利，方面军司令员要求坦克集团军提前完成当前任务，于8月12日日暮，前出到鲁北、突泉一线。坦克第6集团军遂在行进间变更部署，坦克第5军由第二梯队改为第一梯队，当夜登上大兴安岭，占领了台日黑达坝。8月12日，坦克集团军全部越过大兴安岭，其先遣支队已于11日攻占鲁北，12日攻占突泉。左翼第36集团军于11日攻克满洲里筑垒地域，坦克部队在海拉尔筑垒地域，遭日军顽抗，主力实施迂回。右翼苏蒙骑兵机械化集群分两路开进，一路14日攻占多伦，另一路15日占领张北。
在东线，远东第1方面军先遣支队于9日1时趁夜暗和暴雨偷渡乌苏里江，袭击日军边境筑垒地域。8时30分，主力发起进攻，除个别方向外，均未进行炮火准备。左翼第25集团军和右翼第35集团军分别遭到日军东宁、虎头筑垒地域的顽抗，屡攻不克，前进受阻，主力被迫迂回，留下一部兵力，并调来重炮和轰炸航空兵，继续攻击。第5集团军以先遣支队消灭日军火力点后，主力迅速前进，于战役第2天攻占绥芬河，14日攻入牡丹江市区，与第1集团军协同，同日军展开巷战，为提高进攻速度，避免陷入僵局，方面军司令员决心以主要力量从牡丹江市南面迂回，直插吉林。
在北线，远东第2方面军于9日1时发起进攻，独立第5军强渡乌苏里江，14日占宝清。第15集团军在黑龙江区舰队协同下，强渡黑龙江，于14日经激战攻占富锦筑垒地域，打通了至佳木斯的道路。第2集团军先担任黑龙江北岸海兰泡沿线的防御，11日转入进攻，因渡河器材不足，只得分批投入战斗，进展缓慢，于14日才包围了孙吴和爱辉筑垒地域。
经战役第一阶段6天的交战，后贝加尔方面军越过大兴安岭，前进450~500公里，前出到东北平原；远东第1方面军前进150~200公里，前出到牡丹江平原；远东第2方面军前进50~100公里，前出到佳木斯的接近地；太平洋舰队协同陆战队，占领了北朝鲜雄基、罗津等港口，切断了日军从海上的退路。关东军的部署被割裂、打乱，失去统一指挥，只有部分兵力仍在牡丹江市和海拉尔、孙吴、虎头等筑垒地域继续抵抗。
8月15日，日本政府宣布投降，但关东军并未停止抵抗。苏军继续进攻。后贝加尔方面军于16日和17日相继攻占札兰屯、挑南、通辽、赤峰、张北等地。由于道路泥泞，坦克集团军只能沿铁路路基运动，每昼夜前进速度平均40~50公里，主力在先遣支队后面跟进，没有进行战斗。部分兵力继续围攻海拉尔筑垒地域。远东第1方面军的第1和第5集团军于17日攻占牡丹江市，俘日军4万余人。当日，方面军右翼第35集团军进占勃利，左翼第25集团军进占图们，并向北朝鲜推进。部分兵力仍在虎头和东宁筑垒地域同日守军进行激烈争夺战。远东第2方面军的第15集团军于17日攻占佳木斯后，沿松花江追击退却之敌。第2集团军在航空兵和炮兵支援下，对孙吴筑垒地域展开猛烈攻击。
8月17日，关东军下令停止抵抗，日军开始投降。鉴于各兵团离战役目标尚远，华西列夫斯基于18日命令各方面军派出快速支队，迅速进占重要城市和交通枢纽。从18日起，苏军以临时编组的小分队，先后在13个重要城市（内有朝鲜4个）实施空降，控制机场和市区重要目标，接受日军投降。20日、21日，东西对进的苏军快速支队分别在哈尔滨、长春、沈阳会合。驻守虎头和东宁筑垒地域的日军，直到8月26日才停止抵抗。
与此同时，8月11日至25日，苏军第16集团军在太平洋舰队部分兵力的协同下，实施了南库页岛进攻战役；8月18日至9日1日，远东第2方面军一部在第16集团军一部和太平洋舰队的编队协同下，实施了千岛群岛登陆战役。