歐洲戰事於1945年5月8日結束後，太平洋戰場的對日作戰仍在繼續，而且異常激烈。據美國參謀長聯席會議估計，至少還要再打18個月。
6 月18日，美國總統杜魯門在白宮與高級官員討論了已擬定的進攻日本本土的兩個作戰計畫：一是「奧林匹克行動」，即動用美國陸軍11個師和海軍陸戰隊3個師，向日本本土最南端的九州進攻；若日本還不投降，就實施第二計畫「花環行動」，即再調12個陸軍師和3個陸戰隊師，進攻本州。
計畫雖然周密，卻存在一個核心問題：美軍在進攻中還要損失多少人？經過一番評估，美軍得出的傷亡情況是：在九州，陣亡和失蹤21000－27500人，傷85000 －105000人；進攻本州以及預計在東京平原的戰鬥將陣亡22500人，傷65000人。時任美國陸軍參謀長的馬歇爾則預測至少要傷亡25萬人，甚至可能多達100萬人。
美國空軍將領一直認為，在日本本土登陸作戰根本不必要，以現在美軍空軍力量，通過轟炸就可摧毀日本。此前的3月份，空軍就向東京投下了41592噸的燃燒彈，導致10萬日本人傷亡。
為了尋求非常規作戰手段，以及在戰略和心理上給日本以沈重打擊，包括杜魯門在內的美國高級官員幾乎不約而同地將目光瞄向了「可怕的新傢伙」－－－原子彈。
小倉是第二個攻擊目標
美國最終決定使用原子彈對日本進行最後一擊。美軍迅速組成以陸軍部長史汀生為首的臨時委員會，專門負責制定轟炸計畫和選擇襲擊目標等任務。由於原子彈的投擲對位置、氣象條件和影響效果要求很高，所以被選擇的轟炸目標和地點，要具備三個條件：一是具有重要軍事價值，即有軍事設施或是軍火工業重地；二是便於投放，以平地為最佳；三是投擲後，容易取得轟炸後的威懾效果。經過專門委員會反覆研究，最後廣島、小倉和長崎三個地點被定為美國投擲原子彈的首批目標。
美國空軍最初將小倉這個擁有40萬人口的工業城市定為首選目標。但有報導說，該市附近有一個專門關押美國戰俘的集中營，這使空軍官員們猶豫不決。最後，他們決定首攻目標改為廣島。因為廣島既沒有美軍戰俘，又是軍火工業發達的重要軍事基地；更為重要的是，該地區已經連續20餘天沒有下雨，轟炸效果最佳。之所以將長崎列為轟炸目標，主要是因為長崎也是一個重要港口和軍火基地，但由於該地處於低窪谷地，地理位置遜於前兩座城市。於是，長崎被列為前兩個目標不能投彈時的預備目標，即：前兩個目標有一個不能實現時，就對長崎進行轟炸。
陰雲、煙霧令小倉躲厄運
從8月1日起，美軍選定的幾個目標地區天氣情況都不太好，陰雲密佈，還不時地下雨，這使轟炸機無法按照正常飛行條件起飛。這樣的天氣一連持續了四五天。
5日，美軍氣象部門預報，從6日起，廣島地區的陰雲將過去，天氣開始放晴。6日9時，美軍88號氣象偵察機發回廣島地區氣象情報，能見度良好，可以進行目視轟炸。9時15分，美軍第509混合飛行大隊的B－29轟炸機向廣島投下了人類歷史上第一枚原子彈。
8 月9日9時零5分，另外一架轟炸機抵達小倉，此時小倉上空雲量大增，地面濃煙滾滾，飛行員根本無法發現目標，轟炸機用45分鐘在小倉上空盤旋了三圈以尋找可投放原子彈的瞄準點，但遭到日軍高射炮的猛烈攻擊。美軍飛機只好上升高度，以躲避炮火。正當第四次尋找瞄準點時，轟炸機上的無線電員報告截獲日軍航空兵使用頻率上的通信，估計日軍可能起飛戰鬥機。駕駛員來不及請示基地，只好執行第二套方案，掉頭飛向長崎。9時19分，95號氣象偵察機報告長崎天空無雲，能見度清晰。11時零2分，第二顆原子彈－－－「胖子」被投下，長崎也遭到了與廣島同樣的厄運。兩顆原子彈當時造成3萬多人死亡。
隨後，美軍在日本投下大量傳單，稱如果日本再拒不投降，將會遭到成千上萬顆原子彈的轟炸，直至徹底毀滅！再加上蘇聯的參戰，日本天皇裕仁終於宣布無條件投降。
原子彈非投不可嗎
在美國向日本投擲原子彈之前，就曾有許多人持反對意見。特別是執行「曼哈頓計畫」的科研人員。通過爆炸試驗，他們深知原子彈武器的破壞威力，會給人類帶來多麼巨大的災難，所以一直不贊成使用原子彈。戰後，也有許多美國媒體對美國使用原子彈問題提出質疑：在戰爭即將結束時，面對已無多大戰爭能力的日本，美國是否有必要向日本投擲原子彈？日本拒不投降的頑固態度是美國投擲原子彈的重要原因之一。7月28日，《波茨坦公告》傳到日本，日本首相鈴木貫太郎表示：「本國政府……除了完全不予理睬並堅決把戰爭進行到勝利結束以外，別無他途。」隨後，日本陸軍大臣阿南又在《告全軍將士》中叫囂：「事已如此，夫復何言。唯有毅然保衛神州，將聖戰進行到底而已。縱使啖草茹泥，匍匐山野，只要堅決戰鬥，相信死地自有活路……」日本軍方的囂張，使美軍堅定了使用原子彈的決心。美國軍方認為，投原子彈雖然不能以平民為目標，但應對儘可能多平民和最高決策當局造成極其深刻的心理影響。
戰後，幾位親自參加投擲原子彈的飛行員在接受採訪時也認為當時的行動是無法避免的。1995年，轟炸長崎的斯維尼在接受採訪時稱：「我執行的是自己的任務，我希望戰爭結束。」另一位飛行員弗雷德．奧利夫在接受美國《芝加哥太陽時報》採訪時說：「儘管轟炸造成了許多人死亡，但我仍然認為這一行動不可避免。如果美國人在日本領土上登陸，無論是盟國還是日本，傷亡的人數會更多。」
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