美军在硫磺岛和冲绳岛的残酷战役中，伤亡惨重，这使美国高层人士想到如果登陆日本本土，那么伤亡则是无法预计的。加之苏联已经准备出兵中国东北，为了抢在苏联出兵之前夺取对日本的控制权，美国终于使出了撒手锏——向日本投放原子弹。
杜鲁门决定使用原子弹
1945年4月25日，美国总统杜鲁门在白宫听取了陆军部长史汀生和格罗夫斯关于曼哈顿计划的全面汇报。史汀生说，预期在4个月内，原子弹可能试制成功。随后杜鲁门任命以陆军部长史汀生为首的包括军政界首脑和最著名的科学家组成的委员会，责成研究在日本使用原子弹的问题。6月1日，史汀生代表该委员会向杜鲁门建议，一旦条件成熟，应立即使用原子弹对付敌人，不必事前警告。杜鲁门赞同高级军事顾问们的建议。他说：“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。”至于何时何地使用原子弹，“则由我作最后决定”。但是大多数科学家强烈反对使用原子弹。1945年6月，物理学家詹姆斯·弗兰克、利奥·西拉德以及其他一百多名科学家先后联名上书华盛顿。科学家们警告说：“如果美国让这种毁灭性的武器不分青红皂白地落到人类身上，美国就会失去全世界公众的支持，并会加速军备竞赛。”
1945年7月16日，即杜鲁门参加“波茨坦会议”的第2天，他获悉原子弹试验成功的消息后，认为美国拥有这种先进武器，“不但能彻底扭转整个战局，而且能掉转历史和文明的方向”。7月17日，史汀生专程向总统汇报爆炸试验的全部详情。此后几天，杜鲁门同美国代表团高级官员研究了使用原子弹的细节和策略。
原子弹投放日本
1945年7月24日，杜鲁门指令美国陆军战略空军司令卡尔·斯波茨将军派遣第20航空队第5和第9混合大队，于1945年8月3日后，在天气许可的条件下，在日本的广岛、小仓、新和长崎4个城市中选择一个目标，投放原子弹。1945年7月26日，在杜鲁门的建议下，美、英、中三国以共同宣言的形式，发出促令日本无条件投降的《波茨坦公告》。公告提出，必须严惩日本战犯，肃清日本军国主义势力；实施《开罗宣言》；日本主权限于本州、北海道、九州、四国及其他指定的小岛；允许日本保留非军事工业。最后，公告警告日本说：“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……除此一途，日本即将迅速完全毁灭。”7月27日至8月1日，盟国在日本各城市上空散发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，说他们将受到猛烈的空中轰炸；并且每次警告之后，便是一次常规炸弹的猛烈袭击。
《波茨坦公告》发表后，日本统治集团内部一片混乱。以外相东乡茂德为代表的文职人员主张待机决定；日本军方则主张采取强硬态度。7月28日，铃木首相发表声明说：“政府不认为（公告）有何重大价值，只能不予理睬。吾等唯有誓将战争进行到底。”杜鲁门认为这是日本当局公开拒绝接受《波茨坦公告》的表示，决定按原计划对日本使用原子弹。7月29日，斯大林希望美国与其他盟国正式发表声明，要求苏联参加对日作战。杜鲁门运用外交辞令，婉言加以拒绝。
1945年8月6日8时15分，美国在日本广岛投下第1颗当量2万吨TNT的原子弹。短短几秒钟的工夫，广岛市中心约11.4平方千米的地区化做废墟。广岛当日死者为78150人，负伤和失踪者为51408人。同一天，杜鲁门发表关于原子弹的声明，并警告日本：“如果他们现在还不接受我们的条件，等待他们的将是毁灭之雨从天而降，类此之物世所未见。”日本仍拒绝投降。8月8日，苏联对日宣战。8月9日上午11时30分，美国又在长崎投下第2颗原子弹。当日死者为23753人，伤者为43021人。8月10日，日本政府通过中立国向美、英、中、苏发出乞降照会：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日，杜鲁门决定让日本人保留天皇，但自投降之日起，日本天皇和日本政府必须将统治国家的权力移交给盟军最高统帅，下令全体日军交出武器。8月14日，日本政府宣布接受同盟国的要求。8月15日中午，日本裕仁天皇通过电台宣读日本接受《波茨坦公告》并实行无条件投降的《停战诏书》。
