爆炸中心处的人和物全部分崩离析，没有留下任何痕迹。后来才发现，在地上有几个似乎是勾勒出来的影子一样的人体外形。离中心远一些的地区，可以看到在一刹那间被烧毁的人的残骸，更远的地方，有些人严重烧伤，还侥幸活着，少数人挣扎到平安的地方，但都在二十天后死于伽玛射线的作用。
原子弹爆炸后，过了半个小时，一种神奇的蒙蒙小雨，从万里无云的晴朗天空落在残存者头上。这就是令日本人谈虎色变的黑雨。它含有致命的毒物，使残存者在后来的二十年中逐渐死去。日落之前，广岛市街一片死尸和废墟，呈现出地狱般的惨状。
原子弹的打击使日本的情报系统暂时瘫痪。直到下午，东京方面才收到第二军司令部通过吴镇府转发的报告，内容是：“敌人使用了具有从所未见的破坏力的高性能炸弹。”
据后来统计，“小男孩”在广岛致使七万八千一百五十人丧生，五万一千四百零八人负伤或去向不明，加上后来陆续死去的，总共二十万人。广岛的七万六千多幢建筑物有近五万幢被毁，两万多幢半毁。
杜鲁门适时地发表声明。8月7日，他在广播中公布了“小男孩”的身份：“这是一枚原子弹。”他说：“它驾御的是宇宙的基本力量，太阳从之获得能量的那种力量。我们把它释放出来，对付那些在远东发动战争的人。”他再次向日本发出警告：“7月26日之所以要在波茨坦发表最后通牒，目的在于使日本人民免遭全部毁灭。日本的领导人立即拒绝了那个最后通牒。现在，如果他们仍拒不接受我方的条件，他们可以预期，毁灭性的打击将如雨点般从空中打来。地球上从未出现过类似的毁灭。”
8月8日，苏联外交部长莫洛托夫紧急召见日本驻苏联大使佐藤。莫斯科时间下午5点，佐藤匆匆赶到苏联外交部，收到的是一封战书。苏联宣布，从1945年8月9日0点10分，苏联对日本宣战。当时正是东京的晚上11点，日本很难在当天做出反应。 苏联按照向日本宣战的准确时间，出动一百五十万大军，二万六千门大炮，五千五百辆坦克，五千架飞机，浩浩荡荡开进中国东北，日本关东军尝到了被别人扫荡的滋味。同时，苏联在《波茨坦公告》上签字，使它成为四国对日本的共同宣言。
8月9日凌晨，查尔斯·斯威尼少校驾驶“博克之车”号B-29轰炸机从提安尼机场起飞，机舱内装着美国的第二颗原子弹，它是用钚做裂变材料的“大块头”。科学家们给它取了个孔武有力的名字，显然期望它的威力超过三天前扔到广岛的“小男孩”。
“博克之车”冲着小仓飞去，来到一座巨大的军火库上空。幸运的小仓城由于上空覆盖着厚厚的云层，逃过了一场巨大的灾难。斯威尼决定到另一个预备投弹点去看看，飞到倒霉的长崎。11点，“博克之车”在长崎上空仍然碰到了糟糕的天气，斯威尼打算用雷达发射“大块头”。突然，爆炸手在云层中看到了一个窟窿，于是“大块头”从这个窟窿中掉下去，在一座教堂上空爆炸。
日本的上空第二次升起了蘑菇云，毁灭性的火球吞噬了两万三千七百五十三人，烧伤四万三千零二十人，夷平了长崎的市中心。不过，“大块头”的威力受限于城市周围的山地，破坏程度小于“小男孩”。
日本接连遭到两颗原子弹的打击，又面对苏联红军的进攻，不得不重新考虑是战还是降。同一天，铃木首相深夜召集御前内阁会议。内阁“六巨头”三人主降，三人主战，争执不决。裕仁天皇开口了：“朕已认真考虑了国内外局势，并得出结论，认为继续战争意味着民族的毁灭，延长世界上人类的流血和残酷行为。朕不忍目睹无辜国民再受苦难。恢复世界和平，解除国家可怕苦难的唯一办法，就是结束战争。”
铃木颤声说道：“我已明白了陛下的圣断。”
裕仁点点头，慢慢退出会议室。日本内阁的御前会议，终于决定接受《波茨坦公告》。10日凌晨两点多，外交大臣东乡茂德为了避开军方的新闻检查，决定用摩尔斯电码向各同盟国发出日本帝国政府准备接受《波茨坦公告》的正式照会。上午8点，日本的乞降照会发往了美国和欧洲的几个国家。下午6点，日本驻瑞士公使将乞降照会递交瑞士政府，请他们分别转达中国政府和美国政府；日本将同样的照会交给瑞典政府，请他们转达英国政府和苏联政府。在乞降照会中，日本政府以保留天皇为日本元首为唯一条件。但是，日军大本营仍然命令各地日军坚持继续作战。
中国的五百万军队积极配合盟军的攻势，进行了全面大反攻。8月9日,毛泽东就苏联对日宣战发表《对日寇的最后一战》，指出：“由于苏联这一行动，对日战争的时间将大大缩短。对日战争已处在最后阶段，最后地战胜日本侵略者及其一切走狗的时间已经来到。”
为了歼灭拒降的日军，中共中央于10日指示各中央局、中央分局和各区党委，部署一切力量对日军全面进攻，扩大解放区，壮大军队。在日军投降时，迅速占领各大小城市及要道。朱德总司令向他辖下的部队发布了命令。
正在延安的聂荣臻，于8月10日致电晋察冀分局和军区的其他领导人，要求全区部队立即向北平、天津、保定、石门、大同、张家口、唐山、秦皇岛、承德、山海关等城市前进，准备接受日伪军投降；冀东军区抽调三个主力团挺进东北，协同苏联红军和东北抗日联军作战，收复东北国土；冀晋军区抽调两个团向太原逼近，配合晋绥军区部队夺取太原城及其附近地区。