在16公里以外的地区，人们仍然感到炽热的气流。由于市民没有防核的知识，当原子弹爆炸后放射性沾染还很严重的情况下，就到受炸地区行走，加上救护机构被摧毁，受伤人员没有得到及时救治，致使死亡率大大增加，广岛化为焦热火海，广岛被摧毁了。
5小时以后，美国“F－13”型飞机到广岛上空侦察效果。整个广岛靠近爆炸中心的人，大部分死亡，当天就有78150人死亡，负伤和失踪的人为51408名。全市共有76327幢建筑物，其中有48000幢全部被摧毁，22178幢受到严重破坏。这天下午，设在广岛的第二军司令部通过广岛东南的小城报告东京说，美国使用了具有从未见过的破坏力的高性能炸弹。
次日凌晨，即原子弹突袭16小时后，杜鲁门总统发表声明，警告日本政府，“这是原子弹”。并敦促日本政府无条件投降，否则将遭到“来自空中的毁灭”。美国武装部队电台马上对日广播，“原子弹已把广岛摧毁，更多的原子弹将接踵而来”，他们向日本空投了数百万张传单向日本发出警告：美国最新研制成功的“一颗原子弹的威力就相当于2000架‘B－29’巨型轰炸机执行一次任务所携带炸药的威力”，“你们赶快结束战争”，否则“我们将坚决使用这种炸弹和所有其他超级武器来加速结束战争”。8月7日和8日，美国第二十一轰炸航空兵联队司令李梅将军先后追加了152架和375架“B－29”轰炸机，对日本城市发起更猛烈地袭击，但日本政府仍无意投降。
日本政府之所以没有立即同意接受无条件投降，是因为他们把希望寄托在前苏联的调停上。但出乎日本预料的是，前苏联人民委员莫洛托夫告诉日本驻苏大使说，因为日本仍在进行战争，所以拒绝接受《波茨坦公告》。这使日本请求前苏联调解远东战争的建议没有了希望。
前苏联政府遵守苏、美、英三国首脑在雅尔塔会议的义务和要求，即前苏联有条件地正式承担了在德国投降及欧战结束两个月或三个月内，参加对日作战。8月8日下午5时，前苏联声明：8月9日对日宣战。
原子弹的袭击，前苏联的参战，日本帝国主义统治集团走投无路，被逼进死角。8月9日上午，日本最高战争指导会议在皇宫地下防空洞里举行，讨论是否接受《波茨坦公告》以结束战争。正当会议在激烈争论中进行的时候，10时58分，美国在长崎投下了第二颗原子弹。
第一颗原子弹轰炸广岛成功以后，美国开动宣传机器，向世人展示新式武器的威力。舆论可以鼓舞人民支持战争，鼓舞士气进行战争，舆论可以孤立敌人，动摇敌人，打击敌人。但是，最终还是要以武力解决问题。美国人立即决定在日本人惴惴不安、惊魂未定的时候，扔下第二颗原子弹。此次任务由5架“B－29”轰炸机组成的突出队执行，密码代号为“16号特别轰炸任务”。
第二颗原子弹外号叫“胖子”，采用复杂的“内爆法”引爆系统，由气压、定时、雷达和冲击4个不同引信组成。这种引爆系统不能在空中安装，必须在执行任务之前，在地面的一个特殊的绝密车间里，由几个专家合作组装。这就意味着，飞机必须载着安装好引爆系统的“活钚弹”上天，万一起飞时发生重大事故，提尼安岛就会变成美国的“广岛”而被从地球上被抹掉。
这颗原子弹的投掷日期，最初定在8月20日，后来又改为8月11日。8月7日，在轰炸广岛成功的第二天，又从预订的时间表里减去了一天。但是，根据天气预报，8月9日是个好天气，而8月9日以后将有连续5天的坏天气。这就需要决定是提前一天，还是推迟五天。最终美国人选择了前者。对于工程技术人员来说，这是个冒险的选择。
组装工作进展很顺利。8月7日夜，“胖子”的内脏部分已经组装完毕。只要第二天给“胖子”穿上外衣，紧凑地装进钢壳里，就可以上飞机了。午夜，疲劳了一天的人们都去休息了。正在这个时候，负责最后检查的人在内爆球前面的点火原件和尾部的雷达原件连接的地方，迷迷糊糊地感觉着有问题，好像两个插头不配套，两个都是阴插头。此时，他简直不敢相信，经过一遍又一遍的检查，此人确定的确是出了错误。他浑身的困意全都吓跑了，感到的是一阵寒意。如果拆开重装，可不容易。最后他冒着巨大的危险，采取非常规的办法把错误给纠正了。他又一遍一遍地检查电线的连接点，至少检查了五遍，才算完工。第二天夜里，8月8日22时，“胖子”像它的哥哥“小男孩”一样，安然睡进了“B－29”重型轰炸机的弹舱里。
为确保万无一失，美军当局决定举行一次“胖子”模拟弹空投演习。8月8日9点左右，斯韦尼少校驾驶“博克斯卡”号带着一颗水泥重配弹“南瓜”，从提尼安岛外海的2400米空中爬升到10000米高空。机上的投弹手模拟第二天投掷“胖子”的程序，把“南瓜”从弹舱里弹了出去。“南瓜”按预定弹道落至600米高度，引信爆炸了。1个小时后，专家们一致评定，演习成功。美国当局决定按原计划行动。
8月9日凌晨3时47分，“胖子”在热带暴雨中，伴着闪电划破蒙蒙黑夜的亮光起飞了。飞机“博克斯卡”号的驾驶员是斯韦尼少校，轰炸员是克米特·K.比汉上尉，军械师是阿希沃思海军中校，电子测试军官是菲利普·巴恩斯中尉。与这架飞机同时起飞的还有两架观察机。
这次轰炸目标只指定了两个，主要是小仓，其次是长崎。为了尽可能轰炸第一目标，规定不管天气预报如何，轰炸机必须尽量靠近第一目标飞行，只有在肯定第一目标没有进行目视轰炸的可能以后，再飞往第二个目标。为了避免进行摄影的飞机提前到达现场，要求他们在飞过硫磺岛以前，必须与硫磺岛和提尼安两地核对情况。如果由于情报不充分而产生怀疑，摄影飞机就必须把两个目标都拍摄下来。
“胖子”所搭乘的飞机，在起飞的时候，发现了一个非常严重的问题。有一个燃料泵有毛病，使得大约有3636升的汽油不能从炸弹舱的油箱里打到发动机里去。这意味着，不仅飞机不得不在缺乏燃料供应的情况下起飞，而且还得在去日本作战的往返途中背着这3636升汽油的包袱。此时既没有时间调换飞机，又没有时间进行抢修，身价2500万美元的“胖子”只能搭乘这么一架飞机去完成他的使命了。为了节省汽油，3驾单独飞行的飞机没有经过硫磺岛的上空，而是直奔日本。
9时09分，3架飞机在九州以南屋久岛上空集合，其中有一架观测飞机失去了联系，于是载着原子弹的轰炸机和另一架观察飞机向小仓飞去。他们飞抵小仓的时候，小仓的天气变得很不好，目视轰炸是不可能的。飞机进入小仓上空三次，花去了约45分钟，没有发现目标处，于是他们便朝第二个目标长崎飞去。可以说因为天气的原因，小仓躲过了一次劫难。
10点多钟，飞机飞到长崎上空，发现这里的天气也不好，云量很浓，目视轰炸的条件并不比小仓好。阿希沃恩和斯威内考虑到能见度很差，而汽油量又不足，于是决定采用雷达轰炸。在整个的轰炸飞行过程中几乎都是用雷达操纵的。
10时58分，在即将准备用雷达指挥投弹的一瞬间，突然发现云雾中出现了一个小孔隙，随即改为目视轰炸。轰炸员比汉瞄准了山谷中的一条跑道投下了原子弹。但是，炸弹没有投到原定的目标点，而是投在了该目标以北2．4公里的地方，即浦上河流域，落在两家大的三菱兵工厂之间，把两家生产军事物资的工厂炸个粉碎。
轰炸长崎的原子弹从8840米的高度投下，原子弹离开弹舱1分钟后爆炸。一声惊天动地的巨响，长崎的上空出现了一个五光十色、光芒四射的火球，随后巨大的蘑菇烟云冲天而起，整个长崎被吞没了。由于爆炸点下面的四周都是崎岖不平的山谷，机上人员感到有5次明显的冲击波。长崎地处山谷，当天又没有风，这次轰炸所受的破坏比广岛轻。遭受破坏最严重的地区约在南北长3.7公里，东西宽3公里的范围之内。有一条铁路没有被炸毁，很快得到了其他城市的援助，损失比较小，约有3.5万人死亡，6万人受伤。
美国原子弹突袭广岛和长崎造成了巨大的毁伤。广岛市区80％的建筑化为灰烬，伤亡总人数占全市总人口的53％。长崎市60％的建筑物被摧毁，伤亡总人数占全市总人口的37％。战后，日本对这次遭受原子弹的袭击耿耿于怀，称自己是原子弹的受害者，广岛、长崎为这场战争中不幸的城市。可是日本不应忘记，世界上还有更不幸的城市——南京，兽性大发的日本兵使这座无辜的城市血流成河，呜咽扬子江为30万白骨招魂。日本不应忘记，世界上还有更不幸的国家——中国，在日本发动的侵华战争中，2000多万中国人被日军杀害。
1945年8月9日，即第二颗原子弹轰炸长崎的当天，日本政府召开最高军事会议，对是否接受《波茨坦公告》进行了认真地讨论，但未能取得一致意见。最后，日本的裕仁天皇采取特殊的步骤，通过瑞士和瑞典向盟国转达了在不改变日本国家统治大权的情况下，接受《波茨坦公告》的投降建议。
8月10日下午，盟国作出的答复是：从投降之日起天皇及日本政府统治国家的权限从属于联合国最高指挥官；日本的最后统治形态应根据民众的自由意志来决定。日本军部和一部分政府官员对盟国的要求很不满意，认为占领军高居天皇之上，则日本国体不能保证，因此坚决反对接受盟国的公告。梅津美治郎参谋总长和丰田军部总长直接向天皇陈诉了军部的反对意见。12日下午3时，内阁召开会议，陆相阿南坚决反对盟国的答复，坚持再发照会。而东乡外相认为日本应该满意盟国的答复，如果日本再发照会的话，必然会导致战争的继续。铃木首相和多数内阁大臣同意陆相阿南的意见，坚持再发照会。8月13日，日本驻瑞典公使冈本发回电报，告诉盟国的答复，实际上是承认了日本的要求。8月14日，裕仁天皇亲自召开最高军事会议和内阁会议，正式作出结束战争进行投降的决定。当晚，从7时20分开始，再度举行内阁会议，议定天皇颁布的停战诏书文稿。
1945年8月15日，裕仁天皇亲自在电台上向全国广播了接受《波茨坦公告》，实行无条件投降的诏书。同一天，铃木内阁辞职，坚持死硬立场的陆相阿南自杀。原总理大臣近卫文磨、铃木内阁大臣小泉和桥田、滨田一知将军以及许多其他官员，仿效阿南纷纷在绝望中自杀了。头号战犯东条英机自杀未遂，最后被判处绞刑。17日，东久迩组成投降内阁，并自任陆相，重光葵任外相。同日，天皇下令日本武装部队立即停止一切战斗行动。8月19日，派出以代理参谋总长河边虎四郎中将为首的代表团前往马尼拉，磋商有关盟军进驻日本和投降书签字事宜。
太平洋美军总司令麦克阿瑟被任命为美国、前苏联、英国、中国等盟国占领军总司令。8月28日，美军先头部队在东京附近的机场着陆。30日，大批美英军队开始在东京附近和其他地区登陆。美国拒绝前苏联关于参加占领日本领土，特别是北海道北半部的建议。1945年9月2日上午10时，日本投降仪式在泊于东京湾的美国军舰“密苏里”号上正式举行。日本新任外相重光葵代表日本天皇和政府，陆军参谋总长梅津美治郎代表帝国大本营在投降书上签字。至此，反法西斯的第二次世界大战也同时宣告结束。
第二次世界大战对人类的命运产生了巨大影响，是人类历史的重大转折点。第二次世界大战是由德、日、意法西斯国家集团发动的，它们的目的，不仅在于争夺殖民地，而且在于确立自己的世界霸权，奴役世界各国人民。反法西斯战争的胜利，拯救了各国免于法西斯的奴役，挽救了世界文明的毁灭。这是不幸中的幸事。
第二次世界大战作为人类历史上最大的武装斗争，具有军事行动规模巨大、军事生产空前发展、人员物资损失惨重的特点。全面战争持续了2194天（6年）；军事行动遍及欧、亚、非洲陆地和大西洋、北冰洋、太平洋、印度洋广阔水域；被征入伍者达1.1亿人。在战争年代，仅反希特勒同盟各国就生产飞机58.8万架、坦克23.6万辆、火炮147.6万门；德国生产飞机约10.9万架、坦克4.6万辆、火炮和迫击炮43.5万余门以及其他武器。
第二次世界大战是历史上破坏性最大的一次战争。仅在欧洲，战争破坏造成的物资损失（据不完全统计）即达2600亿美元（按1938年价值）；各交战国的直接军费支出占其国民总收入的60％～70％。军队死亡1690余万人，居民死亡3430余万人，合计死亡5120余万人，仅前苏联就达2000余万人。这对人类物质文明是一次巨大摧残。
第二次世界大战首次使用了雷达和其他无线电电子器材、火箭炮、第一批喷气式飞机、飞航式导弹和弹道火箭，在战争的最后阶段使用了核武器和雷达等。空军、国土防空军、潜水舰队、空降兵兵团、工程兵和技术兵的作用增大了。这些对战后各国的军事思想、战争思想和军队建设都产生了深远而重大的影响。
