במאי 1945 הוקמה ועדת הביניים כדי להמליץ על אופן השימוש באנרגיה גרעינית בזמן המלחמה ואחריה. הוועדה כללה את סטימסון כיושב ראש, את ג'יימס ביירנס, סנאטור אמריקאי לשעבר שיהיה בקרוב מזכיר המדינה, כנציגו האישי של הנשיא הארי טרומן, ובכירי ממשל נוספים. הוועדה הקימה פאנל מדענים שכלל את קומפטון, פרמי, לורנס ואופנהיימר, כדי לייעץ לה בנושאים מדעיים. בהצגת מסקנותיו, הציע הפאנל המדעי את דעתו הן לגבי ההשפעות הפיזיות של הפצצה האטומית והן לגבי האימפקט הצבאי והפוליטי שלה.
בוועידת פוטסדאם, שהתקיימה בגרמניה בין 17 ביולי ל-2 באוגוסט 1945, נודע לטרומן כי ניסוי טריניטי הצליח. הוא אמר לסטלין, מנהיג ברית המועצות, כי לארצות הברית יש אמצעי-על צבאי חדש, בלי למסור פרטים. הייתה זו ההודעה הרשמית הראשונה שהאמריקאים העבירו לסובייטים על הפצצה, אך סטלין כבר ידע עליה ממרגליו. מכיוון שההרשאה להשתמש בפצצה נגד יפן כבר ניתנה, ולאחר שיפן דחתה את הצהרת פוטסדאם, לא נשקלו כלל חלופות אחרות להמשך המערכה נגדם.
ב-6 באוגוסט 1945, המריא משדה צפון שבאי טיניאן המפציץ B-29, שכונה "אנולה גיי", ופצצת האורניום "ילד קטן" בתא ההפצצה שלו. המפציץ היה מטייסת ההפצצה 393, וטייסו היה קולונל פול טיבטס. הירושימה הייתה יעד הפיצוץ הראשון, כשהערים קוקורה ונגסאקי היו חלופות. באישורו של תומאס פארל השלים פרסונס, איש הצוות האחראי על פצצת האטום, את הרכבת הפצצה באוויר כדי למזער את הסיכונים בזמן ההמראה. לאחר שהוטלה, התפוצצה הפצצה בגובה של 530 מטר, ובעוצמת פיצוץ שנאמדה מאוחר יותר כשוות-ערך ל-13 קילוטון TNT. שטח של כ-12 קילומטרים רבועים נהרס. פקידי ממשל יפניים העריכו כי 69% ממבני הירושימה נהרסו כליל ועוד 6-7% ניזוקו. כ-70,000 עד 80,000 איש, שהם כ-30% מאוכלוסיית הירושימה, נהרגו מיד מההדף החזק של הפיצוץ, מהחום העצום, ומהקרינה הרדיואקטיבית החזקה שקרנה בעוצמה רבה בכל אזור פיצוץ. בשל תגובה מושהית של הפיצוץ והשפעות מתמשכות של הקרינה הרדיואקטיבית, עלה בהתמדה מספר הנספים, והוערך בסוף 1945 בכ-100,000. לאחר חמש שנים נאמד מספר ההרוגים מהפצצה בכ-200,000, שכללו גם את המתים ממחלת הסרטן ומהשפעות קטלניות ארוכות טווח נוספות שגרמה פצצת האטום שהוטלה על הירושימה.
בבוקר 9 באוגוסט 1945, המריא מפציץ B-29 שני, שכונה "בוקסקאר" , שהטיס מייג'ור צ'ארלס סוויני מטייסת 393, עם פצצת הפלוטוניום "איש שמן". אשוורת' היה איש הצוות האחראי על הפצצה, והעיר קוקורה הייתה היעד. סוויני המריא כשהפצצה מוכנה וחמושה, אך כשמתגי הבטיחות החשמליים במצב חסימה. כשהגיעו לקוקורה הם מצאו עננים שמכסים את העיר ומונעים ראות טובה, המחויבת על פי הפקודות. אחרי שלושה יעפים מעל העיר, וצמצום כמות הדלק, הם פנו למטרה החליפית שנקבעה, נגסאקי. אשוורת' החליט שהפעם ישתמשו במכ"ם אם תיחסם הראות למטרה, אך מעל נגסאקי נפער ברגע האחרון פתח בעננים שאיפשר ראות טובה על פי הפקודות. "איש שמן" הוטלה מעל העמק התעשייתי באמצע המרחק בין מפעל הפלדה של מיצובישי בדרום לבין מפעל התחמושת מיצובישי-אורקמי בצפון. עוצמת הפיצוץ הייתה שוות-ערך ל-21 קילוטון TNT, דומה לזו של ניסוי טריניטי, וגדולה בכ-40% מזו שהוטלה על הירושימה. הפיצוץ הוגבל לעמק אורקמי, כך שעל חלק גדול מהעיר הגנו הגבעות החוצצות. בפיצוץ נהרסו כליל כ-44% ממבני העיר, ונגרם נזק קשה לאזור התעשייה ולכושר הייצור שלה. בפיצוץ נהרגו מיד מההדף, מהחום ומהקרינה כ-40,000 אנשים, רובם עובדי תעשייה, וכ-60,000 נפצעו. בינואר 1946 הוערך שכמות הנספים הגיעה לכ-70,000 איש. לאחר חמש שנים נאמד מספר ההרוגים בנגסאקי בכ-140,000, כולל המתים ממחלת הסרטן, מהרעלת קרינה, ומהשפעות קטלניות ארוכות טווח נוספות של הפצצה.
סך כול מספר הנספים משתי פצצות האטום שהוטלו, האחת על הירושימה והשנייה על נגסאקי, נאמד לאחר חמש שנים מההתקפה בכ-340,000 אנשים.
פצצות אטום נוספות ותחילת המחלוקת על הפצצת יפן.
הוכנו שתי הרכבות נוספות של פצצות מסוג "איש שמן", שהיו אמורות להישלח מ'שדה קירטלנד' לטיניאן ב-11 וב-14 באוגוסט 1945. גרובס ציפה שתהיה פצצת אטום שלישית מוכנה לשימוש ב-19 באוגוסט, עוד שלוש פצצות בספטמבר, ועוד שלוש באוקטובר. טכנאים עבדו בלוס אלמוס 24 שעות ברציפות כדי לצקת ליבת פלוטוניום שלישית, אך עדיין היה צריך לעבדה ולצפותה עד 16 באוגוסט, ולהכינה לשימוש עד 19 באוגוסט. ב-10 באוגוסט ביקש טרומן בחשאי שלא להטיל פצצות אטומיות נוספות על יפן ללא הוראתו המפורשת. לפיכך השעה גרובס ב-13 באוגוסט את משלוח הליבה השלישית. יומיים אחר-כך, ב-15 באוגוסט, הודיעה ממשלת יפן על נכונותה להיכנע.
לאחר הטלת שתי הפצצות נכנעה ממשלת יפן ללא תנאי באופן רשמי ב-2 בספטמבר 1945, ומלחמת העולם השנייה הגיעה לקיצה. למרות זאת, הצורך בהפצצת הירושימה ונגסאקי הפך לנושא שנוי במחלוקת בין היסטוריונים . היו ששאלו אם "דיפלומטיה גרעינית" לא הייתה משיגה את אותן מטרות, ונחלקו ביניהם אם ההפצצות האטומיות או הכרזת המלחמה הסובייטית על יפן אכן הכריעו את המלחמה מול יפן. דו"ח פרנק היה המאמץ הבולט ביותר ללחוץ נגד ההפצצה האטומית, אך הוא נדחה בידי הפאנל המדעי של ועדת הביניים. העצומה של סילארד , שנוסחה ביולי 1945 ונחתמה על ידי עשרות מדענים שעבדו בפרויקט מנהטן, הייתה ניסיון מאוחר להזהיר את הנשיא טרומן מפני האחריות והחובה שמוטלות עליו כתוצאה מהשימוש בנשק קטלני זה.
בדיקת נזקי הפצצות האטומיות בידי ארצות הברית.
כבר ב-11 באוגוסט 1945, יומיים לאחר הטלת פצצת האטום על נגסאקי, הורה גרובס לסטפורד וורן להקים צוות בדיקה שיסקור וידווח על ממדי ההרס והרדיואקטיביות בהירושימה ובנגסאקי. קבוצה בראשות תומאס פארל וסטפורד וורן, מצוידת במונה גייגרים ניידים, הגיעה להירושימה ב-8 בספטמבר, זמן קצר לאחר כניעת יפן, כשהאדמירל היפני מסאו צוזוקי משמש לה כמתורגמן. הם נשארו בהירושימה עד 14 בספטמבר, ולאחר מכן סקרו את נגסאקי מ-19 בספטמבר עד 8 באוקטובר. משלחת זו ומשלחות מדעיות אחרות שנשלחו ליפן סיפקו נתונים מדעיים והיסטוריים חשובים על ההפצצות ועל השפעותיהן.
אחרי המלחמה.
עוצמת הפצצות וההרס העצום בהירושימה ובנגסאקי הדהימו את העולם כולו, ובפרט את העובדים עצמם בפרויקט מנהטן, שכלל לא הבינו מה מטרת עבודתם. אף שקיומן של הפצצות כבר פורסם פומבית, נמשכה הסודיות, ועובדים רבים עדיין לא ידעו מה מהות עבודתם. באוק רידג' אמר אחד העובדים ב-1946, "אני לא יודע מה לעזאזל אני עושה מלבד להסתכל לתוך XXX ולהפוך XXX ליד XXX. אני לא יודע שום דבר על זה, ואין שום דבר שאני מסוגל להגיד". תושבים רבים המשיכו להימנע מלדון בשיחות רגילות במה שהם כינו "החומר" ("the stuff"), למרות היותו של "החומר" הסיבה לקיומה של העיר שבה הם חיים.
לקראת הטלת הפצצות, ביקש גרובס מהנרי דאוולף סמית' להכין דו"ח היסטורי בלתי מסווג על הפצצה האטומית, המיועד לקריאה על ידי הציבור הרחב. הדו"ח, ששמו המלא הוא "אנרגיה אטומית למטרות צבאיות: הדו"ח הרשמי על פיתוח הפצצה האטומית בחסות הממשל האמריקני, 1940–1945", הידוע יותר בשם "דו"ח סמית", יצא לציבור ב-12 באוגוסט 1945. גרובס וניקולס העניקו "פרסי E של הצבא והצי" לקבלני מפתח (בעיקר מפעלים אזרחיים), שמעורבותם הייתה חשאית עד כה. מעל 20 מדליות מצוינות נשיאותיות הוענקו לקבלני מפתח ולמדענים, כולל לווניבר בוש ולאופנהיימר. אנשי צבא קיבלו את עיטור "לגיון המצוינות".
בהנפורד הופסק ייצור הפלוטוניום לאחר שכורים D ,B ו-F נשחקו כתוצאה מהרעלת מוצרי ביקוע, והגרפיט התנפח בשל מה שידוע כ"אפקט ויגנר" . הנפיחות פגמה בצינורות הטעינה, שבהם הוקרן האורניום לצורך ייצור פלוטוניום, והפך אותם לבלתי שמישים. כדי לשמור על אספקת הפולוניום לפולטי הנייטרונים שבפצצה (הקיפודים), צומצם הייצור וכור B נסגר, מתוך מגמה שלפחות כור אחד יהיה זמין בעתיד. המחקר נמשך, וחברת דופונט והמעבדה המטלורגית פיתחו תהליך משופר חדש להפרדת הפלוטוניום מהאורניום, במקום התהליך פוספט-ביסמוט, שהותיר את האורניום במצב שלא איפשר שימוש נוסף בו.
ניקולס המליץ על סגירת מפעל הדיפוזיה התרמית S-50, ועל סגירת מסלולי אלפא במפעל Y-12 של ההפרדה האלקטרומגנטית באוק רידג', והם נסגרו בספטמבר 1945. אף שביצועיהם היו טובים מאי פעם, לא יכלו מסלולי אלפא להתחרות עם מפעלי ההפרדה בדיפוזיה גזית K-25 ומפעל K-27 החדש, שהחל לפעול בינואר 1946. בדצמבר נסגר מפעל Y-12 כולו.
בלוס אלמוס החלה עזיבה של מדענים מוכשרים רבים, אף שנותרה עדיין עבודה רבה. הפצצות שהוטלו על הירושימה ונגסאקי דמו יותר לאב-טיפוס מעבדתי שצריך השלמת פיתוח, ונותרה עבודת מחקר ופיתוח רבה כדי להפוך אותן לפשוטות יותר, בטוחות יותר ואמינות יותר. לדוגמה, היה צריך לפתח מנגנון קריסה גם עבור פצצת האורניום במקום מנגנון הירי הבזבזני, ונדרשה גם ליבה מעורבת של אורניום-פלוטוניום בשל הקושי לספק פלוטוניום ברמת הניקיון הנדרשת בכמות מספקת. אלא שאי הוודאות לגבי עתידה של המעבדה הקשתה על המדענים להמשיך לעבוד בה. אופנהיימר חזר לתפקידו באוניברסיטת קליפורניה, וגרובס מינה את נוריס ברדבורי כמחליף זמני (הוא נשאר לבסוף בתפקיד במשך 25 השנים הבאות).
שני פיצוצים של פצצות פלוטוניום מסוג "אדם שמן" נערכו באטול ביקיני שבאוקיינוס השקט ביולי 1946 במסגרת מבצע פרשת דרכים, במטרה לחקור את השפעת הפיצוץ הגרעיני על ספינות מלחמה. פצצת "אייבל" התפוצצה ב-1 ביולי 1946, והפיצוץ הגדול יותר, "בייקר", בוצע בתוך המים בעומק של 27 מטר ב-25 ביולי.