1945 年秋，日本败局已定。美国总统杜鲁门和美国政府想尽快迫使日本投降，也想以此抑制苏联，于是杜鲁门决定在日本的首都和长崎投掷原子弹,因日本首都雾太浓所以选择了广岛。在此之前，美国、英国和中国发表了《波茨坦公告》，敦促日本投降。 7 月 28 日，日本政府拒绝接受《波茨坦公告》。出于军事和政治的原因，美国政府便按照原定计划，对日本使用原子弹。
根据计划，美军将根据天气情况确定轰炸地点：广岛、长崎或小仓。其中，参与南京大屠杀、在侵华战争中首先使用化学武器、制造了多次屠城惨案的日军第五师团的主要兵员就是由广岛人组成的，因此也被称为广岛师团。
1945 年 8 月 6 日早晨 8 时整， 3 架 B-29 美机又从高空进入广岛上空。这时很多广岛市民并未进入防空洞，而是在仰望美机。在此以前， B-29 已连续数天飞临日本领空进行训练，但这一次的 3 架飞机中，有一架已经装上了一颗 5 吨重的原子弹。此时正奉命来轰炸广岛。
9 点 14 分 17 秒，那架装载着原子弹的美机上的视准仪对准了广岛一座桥的正中时，自动装置被打开了。 60 秒种后，原子弹从打开的舱门落入空中。这时飞机作了一个 155 °的转弯，俯冲下来；一瞬间，飞行高度下降了 300 多米。这样做是为了尽量远离爆炸地点。 45 秒种后，原子弹在离地 600 米空中爆炸，立即发出令人眼花目眩的强烈的白色闪光，广岛市中心上空随即发生震耳欲聋的大爆炸。顷刻之间，城市突然卷起巨大的蘑菇状烟云，接着便竖起几百根火柱，广岛市马上沦为焦热的火海。
原子弹爆炸的强烈光波，使成千上万人双目失明； 10 亿度的高温，把一切都化为灰烬；放射雨使一些人在以后 20 年中缓慢地走向死亡；冲击波形成的狂风，又把所有的建筑物摧毁殆尽。处在爆心极点影响下的人和物，象原子分离那样分崩离析。离中心远一点的地方，可以看到在一霎那间被烧毁的男人和女人及儿童的残骸。更远一些的地方，有些人虽侥幸还活着，但不是被严重烧伤，就是双目被烧成两个窟窿。在 16 公里以外的地方，人们仍然可以感到闷热的气流。
当时广岛人口为 34 万多人，靠近爆炸中心的人大部分死亡，当日死者计 8.8 万余人，负伤和失踪的为 5.1 万余人；全市 7.6 万幢建筑物全被毁坏的有 4.8 万幢，严重毁坏的有 2.2 万幢。
但是，广岛的悲剧并未使日本立即同意接受波茨坦最后通牒，即无条件投降。他们竭力掩盖广岛事实真象，并认为美军只有一颗原子弹，还把希望寄托在苏联的调停上。但 8 月 8 日，日本从苏联领导人那里得到的回答是：日本仍在继续进行战争，拒绝接受《波茨坦公告》，因此，日本政府请求苏联调停的建议已失去一切根据。苏联政府遵守对联合国的义务，接受联合国的要求，宣布从 8 月 9 日起对日宣战。就在苏联出兵这天的上午 11 时 30 分，美国又在日本长崎投下第二颗原子弹。长崎全城 27 万人，当日便死去 6 万余人，从而酿成了广岛以来的又一次悲剧。
当年8月15日，日本天皇发布投降诏书宣布投降。
9月2日，在东京湾“密苏里”号战列舰的甲板上，日本外相重光葵和参谋总长梅津美治郎在投降文件上签字。签字的时间是9点过4分。接着，西南太平洋战区总司令道格拉斯·麦克阿瑟签字。他代表美国、中国、英国和苏联及与日本作战的其他国家接受了日本的投降。
