بمباران اتمی هیروشیما و ناگاساکی دو عملیات اتمی بودند که در زمان جنگ جهانی دوم به دستور هری ترومن، رئیس جمهور وقت آمریکا، علیه امپراتوری ژاپن انجام گرفتند. در این دو عملیات، دو بمب اتمی به فاصله ۳ روز بر روی شهرهای هیروشیما و ناگاساکی انداخته شد که باعث 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 نیمی از قربانیان 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 ناگاساکی تا به امروز تنها موارد استفادهٔ جنگی از سلاح هسته‌ای در جهان است. پس از این دو بمباران، دولت ژاپن تسلیم شد.
عملیات اول در تاریخ دوشنبه، ساعت ۸:۱۵ صبح روز ۶ اوت ۱۹۴۵ به وقت محلی در شهر هیروشیما انجام گرفت.
بمب اتمی اول به نام پسرک توسط یک هواپیمای بمب افکن به نام انولا گی (به انگلیسی: Enola Gay) بر روی هیروشیما انداخته شد. برای تاثیر 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 ۱۵ کیلوتن تی‌ان‌تی.فعل و انفعالات اتمی در مرکز این بمب باعث گرمائی حدود چندین میلیون درجه سانتیگراد شد.این گرمای عظیم هر چیزی را تا شعاع یک و نیم کیلومتری مرکز اصابت بمب بطور کلی ذوب نمود. مردمی که از دور دست انفجار «پسرک» 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 باقی ماند 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.

عملیات دوم: بمباران ناگاساکی.
محل شهر ناگاساکی در استان ناگاساکی
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 ماموریت 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 مساله 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 بجای رها کردن بمب اتمی در دریا و یا بازگرداندن آن به پایگاه، بهتر است آن را بر روی ناگازاکی بیاندازند که در مسیر بازگشت بمب‌افکن به پایگاه هوایی در اوکیناوا قرار داشت و یکی از اهداف کم‌اهمیت‌تر آمریکا در ژاپن محسوب می‌شد.آسیبهای وارده به هیروشیما به مراتب بیشتر از ناگازاکی بوده است چرا که هیروشیما شهری صاف بوده و تشعشعات هسته ای تمام شهر را در نوردید ولی ناگازاکی حالتی داشت که شهر در میان دو دره تقسیم شده بود و نصف شهر در یک دره و نصف دیگر در دره مجاور قرار داشت و با رها سازی بمب هسته ای در یکی از دره ها بخش دیگر شهر که در دره دیگر قرار داشت به مراتب آسیب کمتری دید 
بدین ترتیب در تاریخ پنجشنبه ۹ اوت ۱۹۴۵ میلادی، بمب دیگری به نام «مرد چاق» (به انگلیسی: Fat Man) بر روی شهر ناگاساکی انداخته شد.

پس از نابودی ناگازاکی، ژاپن مجبور به تسلیم شد