بمباران اتمی هیروشیما و ناکازاکی به ترتیب ۶ و ۹ اگوست ۱۹۴۵ رخ داد. این دو بمباران در واقع دو عملیات اتمی بودند که در زمان جنگ جهانی دوم به دستورهری ترومن، رئیس‌جمهور وقت آمریکا، علیه امپراتوری ژاپن انجام گرفتند. در این دو عملیات، دو بمب اتمی به فاصله ۳ روز روی شهر‌های هیروشیما و ناکازاکی انداخته شد که باعث ویرانی و کشتار گسترده شهروندان این دو شهر گردید. حدود ۲۲۰٬۰۰۰ نفر در اثر این دو بمباران اتمی جان باختند که بیشتر آنان را شهروندان غیرنظامی تشکیل می‌دادند. بیش از ۱۰۰٬۰۰۰ نفر بلافاصله هنگام بمباران کشته شدند و بقیه تا پایان سال ۱۹۴۵ بر اثر اثرات مخرب تشعشعات رادیواکتیو جان خود را از دست دادند. بمباران هسته‌ای هیروشیما و ناکازاکی تا به امروز تنها موارد استفاده جنگی از سلاح هسته‌ای در جهان است.
عملیات اول: بمباران هیروشیما
عملیات اول در تاریخ دوشنبه، ساعت ۸ و ۱۵ دقیقه روز ۶ اوت ۱۹۴۵ به وقت محلی در شهر هیروشیما انجام گرفت. بمب اتمی اول به نام پسر کوچک توسط یک هواپیمای بمب افکن به نام انولا گی (به انگلیسی: Enola Gay) روی هیروشیما انداخته شد. برای تأثیر تخریبی بیشتر، بمب به نحوی تنظیم شده بود که ۵۷۶ متر بالای سطح زمین منفجر شود. انرژی تولید شده توسط این بمب برابر بود با انرژی حاصل از ۱۶ هزار تن تی‌ان‌تی. فعل و انفعالات اتمی در مرکز این بمب باعث گرمایی حدود چندین میلیون درجه سانتی گراد شد. این گرمای عظیم هر چیزی را تا شعاع یک و نیم کیلومتری مرکز اصابت بمب به‌طور کلی ذوب کرد. مردمی که از دور دست انفجار «پسر کوچک» را در آسمان هیروشیما مشاهده کردند می‌گفتند که خورشید دیگری را در آسمان دیده‌اند.
دو سوم ساختمان‌های هیروشیما از جمله کارخانه‌های فولادسازی و صنعتی، چون میتسوبیشی در اثر این بمباران نابود شدند. تنها چیزی که از شهر باقی‌ماند ساختمان تالار ترویج صنعتی استانی هیروشیما بود که انفجار، بالای گنبد این بنا رخ می‌دهد و به خاطر قرار گرفتن در کانون مرکزی انفجار، کاملاً ویران نشد.
دو روز پس از بمباران هیروشیما و بر خلاف انتظار و میل آمریکا، دولت شوروی به امپراتوری ژاپن اعلان جنگ داد و نیرو‌های ارتش سرخ شوروی به مواضع ژاپن در منچوری یورش بردند. ورود شوروی به جبهه جنگ اقیانوس آرام باعث شد که دولت آمریکا مصمم شود هرچه سریعتر جنگ را به نفع خود و بدون مشارکت شوروی خاتمه دهد. در این راستا استفاده بیشتر از سلاح هسته‌ای ساده‌ترین راه فشار بر ژاپن بود، و نیرو‌های مسلح آمریکا برای استفاده مجدد از بمب هسته‌ای نیازی به مجوز جدید دولت نداشتند؛ زیرا مجوزی که ترومن برای حمله اتمی صادر کرده بود اجازه استفاده از بمب‌های جدید را می‌داد. بر اساس اطلاعات هواشناسی نیروی هوایی آمریکا، بازهٔ زمانی مساعد برای حمله دوم به ژاپن سه روز پس از حمله اول پدیدار می‌شد، و باید از این بازه حداکثر استفاده به عمل می‌آمد. هدف بعدی برای بمباران هسته‌ای، شهر کوکورا بود که صنایع گسترده نظامی و اسلحه‌سازی در آن وجود داشت. در ابتدای مأموریت بر اساس گزارش هواشناسی، دید مناسبی برای هدف‌گیری بر فراز کوکورا وجود داشت. اما وقتی هواپیمای بمب‌افکن به حدود منطقه مورد نظر رسید، تمام آسمان شهر با دود و غبار پوشیده شده بود و امکان پیدا کردن هدف را از میان برده بود. علاوه بر دید کم، پدافند هوایی و ظاهر شدن هواپیما‌های شکاری ژاپن مسئله را کمی بغرنج کرده بود. پس از صرف نظر از بمباران منطقه کوکورا، بمب‌افکن آمریکایی فقط سوخت کافی برای بازگشت به پایگاه هوایی در اوکیناوا داشت. فرمانده عملیات تصمیم گرفت که به جای رها کردن بمب اتمی در دریا یا بازگرداندن آن به پایگاه، بهتر است آن را روی ناگازاکی بیندازند که در مسیر بازگشت بمب‌افکن به پایگاه هوایی در اوکیناوا قرار داشت و یکی از اهداف کم‌اهمیت‌تر آمریکا در ژاپن محسوب می‌شد.
بعد‌ها آمریکایی‌ها اعلام کردند که در آن زمان جز آن دو بمبی که بکار برده بودند بمب اتمی دیگری آماده استفاده نداشته‌اند.