Les États-Unis ont fait exploser deux bombes atomiques au-dessus des villes japonaises d'Hiroshima et de Nagasaki les 6 et 9 août 1945, respectivement. Les deux bombardements ont tué entre 129 000 et 226 000 personnes, dont la plupart étaient des civils, et restent la seule utilisation d'armes nucléaires dans un conflit armé.

Au cours de la dernière année de la Seconde Guerre mondiale, les Alliés se sont préparés à une coûteuse invasion du continent japonais. Cette entreprise a été précédée d'une campagne conventionnelle et incendiaire qui a dévasté 64 villes japonaises. La guerre en Europe s'est terminée lorsque l'Allemagne s'est rendue le 8 mai 1945 et que les Alliés ont porté toute leur attention sur la guerre du Pacifique. En juillet 1945, le projet Manhattan des Alliés avait produit deux types de bombes atomiques : « Fat Man », une arme nucléaire de type implosion au plutonium ; et "Little Boy", une arme à fission de type canon à uranium enrichi. Le 509th Composite Group des United States Army Air Forces a été formé et équipé de la version spécialisée Silverplate du Boeing B-29 Superfortress, et déployé à Tinian dans les îles Mariannes. Les Alliés ont appelé à la reddition inconditionnelle des forces armées impériales japonaises dans la déclaration de Potsdam le 26 juillet 1945, l'alternative étant "une destruction rapide et totale". Le gouvernement japonais a choisi d'ignorer l'ultimatum.

Le consentement du Royaume-Uni a été obtenu pour le bombardement, comme l'exigeait l'Accord de Québec, et des ordres ont été donnés le 25 juillet par le général Thomas Handy, chef d'état-major par intérim de l'armée des États-Unis, pour que des bombes atomiques soient utilisées contre Hiroshima, Kokura, Niigata et Nagasaki. Ces cibles ont été choisies parce qu'il s'agissait de grandes zones urbaines qui abritaient également des installations importantes sur le plan militaire. Le 6 août, un Little Boy a été largué sur Hiroshima, auquel le Premier ministre Suzuki a réitéré l'engagement du gouvernement japonais d'ignorer les demandes des Alliés et de continuer à se battre. Trois jours plus tard, un Fat Man est largué sur Nagasaki. Au cours des deux à quatre mois suivants, les effets des bombardements atomiques ont tué entre 90 000 et 146 000 personnes à Hiroshima et entre 39 000 et 80 000 personnes à Nagasaki ; environ la moitié s'est produite le premier jour. Pendant des mois, de nombreuses personnes ont continué à mourir des suites de brûlures, de maladies causées par les radiations et de blessures, aggravées par la maladie et la malnutrition. Bien qu'Hiroshima ait une importante garnison militaire, la plupart des morts étaient des civils.

Le Japon s'est rendu aux Alliés le 15 août, six jours après la déclaration de guerre de l'Union soviétique et le bombardement de Nagasaki. Le gouvernement japonais a signé l'instrument de reddition le 2 septembre, mettant ainsi fin à la guerre. Les chercheurs ont largement étudié les effets des attentats à la bombe sur le caractère social et politique de l'histoire mondiale et de la culture populaire ultérieures, et il y a encore beaucoup de débats concernant la justification éthique et juridique des attentats à la bombe. Les partisans pensent que les bombardements atomiques étaient nécessaires pour mettre fin rapidement à la guerre avec un minimum de pertes ; les critiques contestent la façon dont le gouvernement japonais a été amené à se rendre et soulignent les implications morales et éthiques des armes nucléaires et les morts causées aux civils.

Dans la nuit du 9 au 10 mars 1945, l'armée de l'air des États-Unis (USAAF) a mené un bombardement incendiaire dévastateur sur Tokyo, la capitale japonaise. Cette attaque a été baptisée Operation Meetinghouse par l'USAAF et est connue sous le nom de Great Tokyo Air Raid au Japon. Les bombes larguées par 279 bombardiers lourds Boeing B-29 Superfortress ont incendié une grande partie de l'est de Tokyo. Plus de 90 000 et peut-être plus de 100 000 Japonais ont été tués, pour la plupart des civils, et un million se sont retrouvés sans abri, ce qui en fait l'attaque aérienne la plus destructrice de l'histoire de l'humanité. Les défenses aériennes et civiles japonaises se sont avérées largement insuffisantes; 14 avions américains et 96 aviateurs ont été perdus.

L'attaque de Tokyo était une intensification des raids aériens sur le Japon qui avaient commencé en juin 1944. Avant cette opération, l'USAAF s'était concentrée sur une campagne de bombardements de précision contre les installations industrielles japonaises. Ces attaques ont généralement échoué, ce qui a contribué à la décision de passer aux bombes incendiaires. L'opération aux premières heures du 10 mars était le premier grand raid de bombardements incendiaires contre une ville japonaise, et les unités de l'USAAF ont utilisé des tactiques très différentes de celles utilisées dans les raids de précision, y compris des bombardements de nuit avec l'avion volant à basse altitude. Les destructions massives causées par le raid ont fait de ces tactiques la norme pour les B-29 de l'USAAF jusqu'à la fin de la guerre.

Il y a eu un débat de longue date sur la moralité de l'attentat incendiaire du 10 mars à Tokyo. Le raid est souvent cité comme un exemple clé dans la critique des campagnes de bombardements stratégiques des Alliés, de nombreux historiens et commentateurs affirmant qu'il n'était pas acceptable pour l'USAAF de cibler délibérément des civils, et d'autres historiens déclarant que l'USAAF n'avait d'autre choix que de modification des tactiques de bombardement de zone étant donné que la campagne de bombardement de précision avait échoué. Il est généralement reconnu que les tactiques utilisées contre Tokyo et lors de raids ultérieurs similaires ont été un succès militaire. L'attaque est commémorée dans deux mémoriaux officiels, plusieurs mémoriaux de quartier et un musée privé.