במקביל לכך, החלה גם ברית המועצות לתכנן מתקפה נגד האימפריה היפנית בעקבות ההבטחה שנתן יוסיף סטלין לרוזוולט במהלך ועידת יאלטה להצטרף למערכה הצבאית נגד יפן באסיה, 3 חודשים לאחר סיום המלחמה נגד גרמניה הנאצית באירופה. במסגרת המתקפה, תכנן הפיקוד העליון הסובייטי (הסטאבקה) לכבוש את שטח מנצ'וריה, ולהשתלט מחדש על שטחים שהאימפריה הרוסית איבדה במזרח אסיה לאחר תבוסתה במלחמת רוסיה–יפן, כולל חצי האי הקוריאני, דרום האי סחלין והאיים הקוריליים. בשלב השני של המתקפה, תכנן הפיקוד הסובייטי פלישה אמפיבית לאי הצפוני של יפן, הוקאידו.
ההפצצות האוויריות על יפן.
כהכנה לפלישה ליפן, ובניסיון לאלץ את ההנהגה היפנית להיכנע, החלו האמריקאים במערכה של הפצצה אווירית רחבת היקף על יפן. הפיקוד הצבאי האמריקאי החל לתכנן את הפצצת יפן כבר בראשית המערכה בזירת האוקיינוס השקט. אולם השטחים הרבים שאיבדה ארצות הברית באוקיינוס השקט ובדרום מזרח אסיה בחודשי המלחמה הראשונים, על בסיסי האוויר שהיו בהם, הביאו לכך שלאמריקאים לא היו מפציצים שהיו מסוגלים להגיע ליפן ולחזור בבטחה לבסיסי האוויר שנשארו בשליטתם. רק לאחר שהסתיים פיתוחו של המפציץ ארוך הטווח B-29 סופרפורטרס במהלך שנת 1944, ולאחר שהכוח האמריקני בפיקודו של צ'סטר נימיץ הצליח להשתלט על מספר איים במרכז האוקיינוס השקט, שקירבו את האמריקאים לטווח הפצצה ליפן, ניתן היה להתחיל במסע הפצצות אפקטיבי. ההפצצות הראשונות החלו ביוני 1944, כאשר בחודשים הראשונים נהגו המפציצים להמריא למשימותיהם מבסיסים בהודו ובסין. ברם, ריחוקם הגאוגרפי מיפן הביא לסדרה של בעיות לוגיסטיות שונות שהקשו על ביצוע הפצצות בהיקף נרחב. מצב זה השתנה עם כיבושם של איי מריאנה במהלך חודשים יוני-אוגוסט 1944, שקרבתם הגאוגרפית ליפן אפשרה לאמריקאים להגביר את קצב ההפצצות על המדינה באופן משמעותי.
הטקטיקה האמריקאית, שבה נקט מפקד כוח המפציצים האסטרטגי ה-21, מייג'ור גנרל הייווד האנסל, התמקדה תחילה בביצוע הפצצות ממוקדות נגד מתקני תעשייה ותשתיות תחבורה בניסיון לפגוע במאמץ המלחמה היפני, תוך מאמץ להימנע ככל האפשר מפגיעה באזרחים בלתי מעורבים. אולם, היפנים העבירו חלק גדול מהייצור התעשייתי שלהם לבתים פרטיים ולמבני תעשייה קטנים, ובכך הקשו על היכולת להפציצם באופן ממוקד. בנוסף לכך, מכיוון שהפצצות הוטלו מגובה רב, היה קושי להטילן באופן מדויק, ולכן רק כ-10% מהפצצות פגעו במטרותיהן. גנרל הצבא הנרי ארנולד, מפקד חילות האוויר של צבא ארצות הברית, סבר כי הטקטיקה של האנסל נחלה כישלון וכי ההפצצות אינן משיגות את מטרתן העיקרית, דהיינו, פגיעה מספקת במאמץ המלחמתי היפני. לפיכך, הדיח ארנולד את האנסל מתפקידו ומינה במקומו את מייג'ור גנרל קרטיס לה מיי. לה מיי פעל לפי פקודתו של ארנולד. הוא הפסיק את ההפצצות הממוקדות, והורה במקום זאת על מעבר להפצצה ללא הבחנה של ערים יפניות (בדומה למערכת ההפצצות שניהלו בעלות הברית נגד גרמניה הנאצית), תוך שימוש נרחב בפצצות תבערה. לה מיי וארנולד קיוו כי טקטיקה זו תביא לערעור המורל הלאומי היפני, לפגיעה משמעותית יותר בתעשיית המדינה ובאזרחים המועסקים בה ובסופו של דבר להכנעתה של יפן. במשך תקופה של כחצי שנה הפציצו האמריקאים 67 ערים יפניות. בולטת במיוחד הייתה ההפצצה של העיר טוקיו שהביאה למותם של 100 אלף איש ולהרס של 267 אלף מבנים בשטח של 41 קמ"ר, בלילה אחד. מקובל לראות בהפצצה זו כהפצצה הקטלנית ביותר בהיסטוריה. בניינים רבים ביפן היו בנויים מעץ והאמריקאים היטיבו לנצל זאת באמצעות שימוש רחב היקף בפצצות תבערה, שגרמו לשרפות ולהרס חסר תקדים. עד אמצע שנת 1945 נהרסו שש הערים הגדולות ביפן כמעט כליל.
ב-21 ביוני 1945 השלימו האמריקאים את כיבוש האי אוקינאווה לאחר כחודשיים של לחימה קשה. סמיכותה של אוקינאווה לאיים הראשיים של יפן אפשרה לאמריקאים להגדיל אף יותר את תדירות ההפצצות. משהפצצתן של הערים הגדולות הגיעה לידי מיצוי, עברו האמריקאים לפגוע בערים קטנות יותר והפציצו כמאה ערים בעלות אוכלוסייה של בין 60 אלף ל-350 אלף איש. הפצצות אלה היו אף הן קטלניות מאוד, והביאו לנפגעים ולהרס רב.
הצבא היפני ניסה לעצור ללא הצלחה את ההפצצות באמצעות שימוש במטוסי קרב ובירי נ"מ בניסיון ליירט את המפציצים האמריקאים, אולם הגובה הרב שבו טסו מפציצי ה-B-29 סופרפורטרס הקשה על היפנים לפגוע בהם. בנוסף לכך, החל מחודש אפריל 1945 נאלצו מטוסי הקרב היפניים להתמודד גם עם מטוסי קרב אמריקאים, שליוו את מבני המפציצים מבסיסים שהוקמו באוקינאווה ובאיוו ג'ימה, לאחר שהכוחות האמריקאים השתלטו עליהם. לאור חוסר יכולתו למנוע את ההפצצות, הורה הפיקוד הצבאי היפני להפסיק לנסות ליירט את המפציצים, במטרה לשמור דלק ומטוסים עבור ההתנגדות לפלישה הצפויה של בעלות הברית לאיי יפן. במקביל לכך, החלו שירותי ההגנה האזרחית היפנית לקרוס לאור חוסר יכולתם להתמודד עם עוצמת המתקפות.
פיתוחה של פצצת האטום.
ב-2 באוגוסט 1939 שלחו הפיזיקאים אלברט איינשטיין ולאו סילארד מכתב לרוזוולט, שבו הזהירו אותו מניסיונותיה של גרמניה הנאצית לפתח פצצת אטום. בתגובה למכתב זה הקימה ארצות הברית בסודיות את פרויקט מנהטן. הפרויקט, עליו עבדו במשותף מדענים מארצות הברית, מקנדה ומבריטניה, נועד להקדים את גרמניה הנאצית בפיתוח נשק גרעיני, והושקעו בו משאבים גדולים. המחקר המדעי נוהל על ידי הפיזיקאי האמריקאי רוברט אופנהיימר, ובראש הפרויקט בכללותו עמד הגנרל לסלי גרובס מחיל ההנדסה של צבא ארצות הברית. הפרויקט הוכתר בהצלחה כאשר בניסוי טריניטי, שהתקיים ב-16 ביולי 1945 (קצת יותר מחודשיים לאחר כניעת גרמניה הנאצית), הופעלה לראשונה בהצלחה הפצצה הגרעינית הראשונה בהיסטוריה.
מדעני הפרויקט ייצרו שני סוגי פצצות גרעיניות – פצצת אורניום, המבוססת על "מנגנון ירי", ופצצת פלוטוניום המבוססת על "מנגנון קריסה" - מנגנון שהיה יעיל יותר אך בעל אופן פעולה מורכב יותר. היפנים הפעילו פרויקט לפיתוח נשק גרעיני משלהם, אולם מחסור בכוח אדם מיומן, חומרי גלם ומשאבים כלכליים, מנעו מהם להשיג התקדמות משמעותית בתחום זה במהלך המלחמה.
דיוני ועדת הביניים.
ב-12 באפריל 1945 נפטר רוזוולט, וסגנו הארי טרומן ירש את מקומו. טרומן, שלא היה מודע קודם לכן לפרויקט מנהטן, קיבל עדכון בנושא ממזכיר המלחמה, הנרי סטימסון. כדי לגבש מדיניות בנוגע להיבטים השונים הקשורים באופן השימוש בפצצת האטום נגד האימפריה היפנית, וההשפעות הצפויות שיהיו לכך על העולם לאחר סיום המלחמה, הקים סטימסון, באישורו של טרומן, ועדה סודית מיוחדת שכללה מספר מדענים, אנשי צבא ואנשי ממשל בכירים. הוועדה נקראה "ועדת הביניים" והיא התכנסה לראשונה ב-9 במאי של אותה שנה. הוועדה לא דנה בשאלה אם להטיל את פצצת האטום על יפן, שכן הנחת העבודה הייתה שמרגע שפצצת האטום תהפוך למבצעית ייעשה בה שימוש במלחמה נגד יפן. במקום זאת, היא התמקדה בדיונים בדרך האפקטיבית ביותר בה ניתן להשתמש בפצצת האטום כדי להביא לסיום המלחמה נגד יפן, ובהשפעות הצפויות של הטלת פצצת האטום על העולם שלאחר סיום המלחמה ועל היחסים הדיפלומטיים של ארצות הברית.
ב-1 ביוני, בתום חמישה מפגשים, הגישה הוועדה את מסקנותיה לטרומן. מסקנות הוועדה התקבלו פה אחד וכללו המלצה להטיל את פצצת האטום על מטרה צבאית שמוקפת בבתיהם של עובדי התעשייה הצבאית היפנית (אף על פי שלחברי הוועדה היה ברור כי הפצצה תפגע גם באזרחים שלא היו מעורבים במאמץ המלחמתי). בנוסף, המליצה הוועדה שהפצצה תוטל בהקדם האפשרי, מרגע הפיכתה למבצעית, וללא מתן התרעה מוקדמת על מנת ליצור אפקט פסיכולוגי מקסימלי על ההנהגה והציבור היפני.
הוועדה דחתה את הצעתו של ארנסט לורנס, מהפיזיקאים הבולטים שעבדו בפרויקט מנהטן ואחד היועצים לוועדה, להפעיל פצצת אטום אחת בשטח לא מיושב לעיני נציגים מכל העולם כדי להדגים את כוחה העצום. טענתו הייתה כי הדגמת פצצת האטום יכולה להביא את יפן להסכים לכניעה ללא תנאי מתוך חשש כי ארצות הברית תשתמש בפצצה נגדה. הוועדה דחתה את ההצעה עקב הבעייתיות שחבריה ראו ביישומה. לארצות הברית היו באותה עת רק שלוש פצצות אטום מבצעיות ובקרב אנשי הוועדה עלו ספקות לגבי הצורך להקריב אחת מהן רק לשם הדגמה, שהשפעתה להביא לסיום המלחמה לא הייתה ברורה. בנוסף, הטכנולוגיה שבה נעשה שימוש בפצצת האטום הייתה מהפכנית, ולפיכך עלה החשש, כי הפצצה שתודגם לא תפעל כהלכה. בקרב אנשי הוועדה הייתה תמימות דעים כי הדגמה לא מוצלחת של הפצצה תעלה מחדש את המורל של היפנים, ותפגע מאידך באינטרסים של ארצות הברית. מתן אזהרה ליפנים לגבי עצם קיומה של הפצצה לפני השימוש בה בפועל, נפסלה גם היא מסיבות דומות. כישלון בתפעול הפצצה היה עלול לחזק את רוח הלחימה של היפנים. בנוסף לכך, איבוד אפקט ההפתעה היה מעניק ליפנים זמן להתכונן לעתיד לבוא ובכך להקטין את ההשפעה הפסיכולוגית שהייתה נלווית להטלת הפצצה ללא אזהרה מוקדמת. ארתור קומפטון, פיזיקאי אחר שייעץ לוועדה סיכם את ההחלטה שלא להדגים את הפצצה כך: