Pengeboman atom Hiroshima dan Nagasaki
Beebe. Wright dan Shockley memperkirakan bahwa jumlah korban di sisi Sekutu mencapai antara 1.7 dan 4juta jiwa bila skenarionya seperti itu, 400000 sampai 800000 di antaranya gugur, sedangkan korban di sisi Jepang mencapai antara 5 sampai 10 juta jiwa.
Marshall mulai mempertimbangkan penggunaan senjata yang "sudah siap dipakai dan pasti mampu mengurangi jumlah tentara Amerika yang gugur": gas beracun. Fosgen, gas mustar, gas air mata, dan sianogen klorida dalam jumlah besar dipindahkan ke Luzon dari gudang senjata di Australia dan Nugini sebagai bagian dari persiapan Operasi Olympic. MacArthur menjamin bahwa satuan Chemical Warfare Service sudah terlatih untuk menggunakannya. Penggunaan senjata biologis di Jepang turut dipertimbangkan.
Ketika Amerika Serikat mengembangkan rencana kampanye udara terhadap Jepang sebelum Perang Pasifik, pencaplokan pangkalan Sekutu di Pasifik Barat pada beberapa pekan pertama konflik Pasifik menandakan bahwa serangan udara baru dimulai pada pertengahan 1944 setelah Boeing B-29 Superfortress siap dikerahkan ke ajang pertempuran. Operasi Matterhorn melibatkan pemindahan pesawat-pesawat B-29 yang berpangkalan di India ke pangkalan di
sekitar Chengdu, Cina, untuk persiapan penyerangan target-target strategis di Jepang. Upaya tersebut gagal memenuhi tujuan strategis yang dikehendaki para perumus rencana karena permasalahan logistik, kesulitan mekanis pesawat pengebom, kerentanan pangkalan persiapan di Cina, dan jarak tempuh yang jauh menuju kota-kota di Jepang.
Brigadir Jenderal Pasukan Udara Angkatan Darat Amerika Serikat (USAAF) Haywood S. Hansell menetapkan bahwa Guam, Tinian, dan Saipan di Kepulauan Mariana cocok dijadikan pangkalan B-29, namun saat itu masih dikuasai Jepang. Strategi pun diganti agar sesuai dengan perang udara, dan kepulauan tersebut direbut kembali antara Juni dan Agustus 1944. Beberapa pangkalan udara dibangun, dan B-29 diterbangkan dari Kepulauan Mariana
bulan Oktober 1944. Pangkalan-pangkalan tersebut dapat disuplai oleh kapal kargo tanpa hambatan. XXI Bomber Command memulai misi penyerangan Jepang pada tanggal 18 November 1944.
Usaha awal untuk mengebom Jepang dari Kepulauan Mariana sama tidak efektifnya seperti B-29 di Cina. Hansell melanjutkan operasi pengeboman tepat berketinggian tinggi yang menyasar industri penting dan jaringan transportasi sekalipun taktik ini tidak berdampak besar. Usaha ini gagal karena kesulitan logistik dengan pangkalan yang jauh, masalah teknis yang dialami pesawat baru dan canggih, cuaca yang tidak bersahabat, dan perlawanan musuh.
Pengganti Hansell, Mayor Jenderal Curtis LeMay, menjadi komandan operasi pada Januari 1945 dan pada awalnya masih meneruskan taktik pengeboman tepat yang sama dengan hasil yang tidak memuaskan pula. Serangan tersebut awalnya menargetkan fasilitas industri penting, tetapi sebagian besar proses produksi Jepang dilakukan di bengkel-bengkel kecil dan rumah warga. Di bawah tekanan markas
USAAF di Washington, LeMay mengganti taktik dan memutuskan bahwa pengeboman bakar tingkat rendah di perkotaan Jepang merupakan satu-satunya cara untuk menghancurkan kemampuan produksi mereka; beralih dari pengeboman tepat ke pengeboman wilayah dengan bom bakar.
Seperti kebanyakan pengeboman strategis pada Perang Dunia II, tujuan serangan USAAF di Jepang adalah menghancurkan industri perang musuh, membunuh atau melumpuhkan warga sipil yang dipekerjakan oleh industri perang, dan menurunkan moral sipil. Warga sipil yang terlibat dalam upaya perang lewat berbagai aktivitas seperti pembangunan benteng dan produksi munisi dan material perang lainnya di pabrik dan bengkel dianggap sebagai kombatan secara hukum dan pantas diserang.
Selama enam bulan selanjutnya, XXI Bomber Command di bawah pimpinan LeMay mengebom 67 kota di Jepang. Pengeboman Tokyo, atau Operation Meetinghouse, tanggal 9-10 Maret menewaskan sekitar 100000 orang dan menghancurkan perkotaan seluas 16 square miles (41 km2) dan 267000 bangunan dalam satu malam saja. Operasi ini merupakan pengeboman paling mematikan sepanjang Perang Dunia II. Sebanyak 20 B-29 ditembak jatuh oleh meriam flak dan
pesawat tempur. Pada bulan Mei, 75% bom yang dijatuhkan merupakan bom bakar yang dirancang untuk membakar "kota kertas" Jepang. Pada pertengahan Juni, enam kota terbesar di Jepang telah diluluhlantakkan. Berakhirnya pertempuran di Okinawa bulan itu memberikan Sekutu kesempatan untuk memanfaatkan pangkalan udara yang letaknya lebih dekat dengan pulau-pulau utama Jepang.
Kampanye pengeboman pun ditingkatkan. Pesawat yang terbang dari kapal induk Sekutu dan Kepulauan Ryukyu secara rutin menyasar target-target di Jepang sepanjang 1945 menjelang Operasi Downfall. Pengeboman dialihkan ke kota-kota kecil yang dihuni 60000 sampai 350000 jiwa. Menurut Yuki Tanaka, A.S. mengebom lebih dari seratus kota di Jepang. Serangan-serangan tersebut juga mematikan.
Militer Jepang tidak mampu menghentikan serangan Sekutu dan persiapan pertahanan sipil Jepang tidak cukup kuat. Pesawat tempur dan senjata antipesawat Jepang sulit menyasar pesawat pengebom yang terbang sangat tinggi. Sejak April 1945, pesawat penyergap Jepang harus menghadapi pesawat tempur pengawal Amerika Serikat yang berpangkalan di Iwo Jima dan Okinawa. Pada bulan itu, Pasukan Udara
Angkatan Darat Kekaisaran Jepang dan Pasukan Udara Angkatan Laut Kekaisaran Jepang berhenti menyergap pesawat Sekutu supaya masih ada pesawat tempur yang tersisa menjelang invasi. Pada pertengahan 1945, Jepang mengurangi frekuensi penyergapan B-29 yang melakukan pengintaian di Jepang untuk menghemat bahan bakar. Pada Juli 1945, Jepang menimbun 1.156.000 US barrels (137.800.000 l; 36.400.000USgal;
30.300.000impgal) avgas untuk persiapan penyerbuan Jepang. Meski militer Jepang memutuskan untuk melanjutkan serangan terhadap pesawat pengebom Sekutu sebelum bulan Juni berakhir, pesawat tempur yang beroperasi saat itu sudah sangat sedikit sehingga tidak sempat berganti taktik untuk mencegah serangan udara Sekutu.
Penemuan fisi nuklir oleh kimiawan Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann tahun 1938 dan penjelasan teorinya oleh Lise Meitner dan Otto Frisch memungkinkan terjadinya pengembangan bom atom. Kekhawatiran bahwa proyek bom atom Jerman akan menghasilkan senjata atom pertama di dunia tercantum dalam surat Einstein-Szilard. Para ilmuwan yang mengungsi dari Jerman Nazi dan
negara-negara fasis lainnya juga sama khawatirnya. Sentimen tersebut mendorong pelaksaaan penelitian pertama di Amerika Serikat pada akhir 1939. Pengembangan baru melesat setelah MAUD Committee dari Britania Raya melaporkan pada akhir 1941 bahwa sebuah bom hanya membutuhkan 5-10 kilogram uranium-235 yang sudah mengalami pengayaan isotop daripada berton-ton uranium yang tidak dikayakan (unenriched) disertai moderator neutron (e.g. air berat).
Bekerja sama dengan Britania Raya dan Kanada yang masing-masing memiliki proyek Tube Alloys dan Chalk River Laboratories, Proyek Manhattan, di bawah arahan Mayor Jenderal Leslie R. Groves, Jr., dari Korps Teknisi Angkatan Darat A.S., merancang dan membangun bom atom pertama di dunia. Groves menunjuk J. Robert Oppenheimer sebagai pelaksana dan kepala Los Alamos Laboratory di New Mexico, tempat bom atom tersebut dirancang. Dua jenis bom berhasil
dikembangkan. Little Boy adalah senjata fisi jenis bedil yang mmengandung uranium-235, isotop uranium langka yang dibuat di Clinton Engineer Works di Oak Ridge, Tennessee. Fat Man adalah senjata nuklir jenis implosi yang lebih kuat dan efisien namun lebih rumit yang mengandung plutonium, unsur sintetis yang dibuat di sejumlah reaktor nuklir di Hanford, Washington. Senjata implosi uji coba, The Gadget, diledakkan di Trinity Site, dekat Alamogordo, New Mexico, pada tanggal 16 Juli 1945.
Jepang juga memiliki program senjata nuklir sendiri, tetapi kekurangan sumber daya manusia, mineral, dan pendanaan seperti Proyek Manhattan, dan tidak pernah membuat kemajuan dalam pengembangan bom atom.