1945年8月6日和9日，美軍飛機分別在日本廣島和長崎投下兩枚代號「小男孩」和「胖子」的原子彈。這是人類歷史第一次在戰爭中使用核武器，造成了數十萬日本平民死亡。
這兩次原子彈爆炸的直接影響是促成了日本的投降。在長崎原子彈爆炸的六天後，即8月15日，日本宣布向同盟國投降。持續了將近六年時間、造成全世界數千萬人死亡的第二次世界大戰也就此結束。
儘管二戰結束後，原子彈再也沒有被用於實戰。但原子彈的出現，徹底改變了全世界的軍事面貌。其他國家見識到了美軍原子彈的威力，開始積極研發包括原子彈在內的核武器。蘇聯、英國、法國、中國等國都成功進行了核試驗，加入了核武器擁有國的行列。
冷戰時期，蘇聯和美國為了在軍備競賽中占據優勢，進行了多次核試驗，製造了大量的核武器，兩國之間爆發核戰爭的風險日益增加。其他擁有核武器的國家積極壯大核力量的做法，還有恐怖組織通過非法途徑獲得核武器的可能性，也增加了核戰爭的風險。全世界都籠罩在核戰爭的陰影中。各國核實驗的開展還嚴重破壞了自然環境，也消耗了大量的人力和資金。
古巴飛彈危機
不過，也正是因為冷戰雙方手裡都有大量的核武器，在冷戰期間蘇聯和美國一直沒有爆發大規模的軍事衝突。聯合國安理會的五個常任理事國都掌握核武器之後，由核武器促成的戰略平衡更加穩固了，這在一定程度上防止了世界大戰的重演。
核武器的開發也使得核能的和平利用成為可能。二戰結束後，各國開始研發利用核裂變反應發電，蘇聯、美國、法國等國都建設了核電站。與核武器不同的是，除了五個聯合國安理會常任理事國外，其他國家也能夠合法建設核電站。世界各地核電站的運轉，在很大程度上緩解了能源緊張的局面。
美國使用原子彈轟炸日本的廣島和長崎基於以下三個方面的歷史背景。
第一，物理學在二十世紀初取得的重大進展，為核武器的製造奠定了理論基礎。在十九世紀末，物理學家發現原有的物理學理論無法解釋微觀系統，所以創立了量子力學。
在量子力學的基礎上，物理學家深入研究了構成物質的基本粒子，例如原子、電子、原子核。1933年，匈牙利裔物理學家利奧·西拉德提出了核鏈式反應的構想；1938年，德國的物理學家發現了核裂變現象。核鏈式反應和核裂變是原子彈爆炸的主要原理。在這些原理的基礎上，各國開始研發可用於軍事實戰的核武器。
第二，二戰期間同盟國為了先於軸心國研發出核武器，投入了大量人力和資金，支持科學家和軍方對核武器的研究。
1939年9月，二戰剛爆發時，納粹德國就開始了核武器研究計劃。但德國對核武器的研發一直停留在理論上，沒有系統的生產計劃。1940年，日本也開始考慮製造核武器。但由於戰場上的失利、管理的混亂以及鈾礦（製造核武器的重要原材料）的短缺，日軍在二戰結束前也未能成功製造核武器。
美國原先對核武器的研究沒有足夠的重視。很多歐洲物理學家來到美國後，例如提出核鏈式反應構想的匈牙利裔科學家利奧·西拉德，就向美國政府提議要搶在德國前面研製出核武器。
在意識到核武器的重要性之後，羅斯福總統啟動了研發與製造核武器的「曼哈頓計劃」，雇用了超過13萬人，花費了將近20億美金。最終在1945年7月成功試爆了第一顆原子彈。
曼哈頓計劃
第三，中、英、美三國提出《波茨坦公告》後，日本仍拒絕投降；美國為了儘快結束戰爭，決定對日本使用原子彈。
1945年5月，納粹德國已經向同盟國投降，歐洲戰事已經基本結束。但日本在太平洋戰場節節失利的情況下，仍拒絕投降。美軍為了向日本本土進軍，越來越多的美軍士兵在與日軍作戰中犧牲。
在美軍飛機對日本本土的城市持續實行大規模轟炸的情況下，日本仍堅持抵抗。美軍考慮到要使日本投降，勢必要對日本本土採取大規模登陸作戰。但在登陸作戰中，大量的人員傷亡無法避免。
此外，按照同盟國約定的計劃，蘇聯會在歐洲戰事結束後對日本宣戰。如果對日作戰不能儘快結束，蘇聯可能會登陸日本本土，這不是美國想看到的局面。所以美國決定使用原子彈轟炸日本的重要城市，迫使日本投降，結束戰爭。
從美國開始研發原子彈到轟炸廣島和長崎，大致可以分為以下三個階段。
第一階段：從1939年到1942年。在這個階段，美國的物理學家開始了核武器的各種前沿研究，美國政府在物理學家的遊說和世界大戰的威脅下，開始重視核武器研發。
1940年3月，美國物理學家約翰·鄧寧在美國哥倫比亞大學驗證了丹麥物理學家尼爾斯·玻爾關於鈾-235的核鏈式反應假說。英國的物理學家奧托·弗里施以及魯道夫·佩爾斯進一步推導出原子彈的理論構架。1940年鈽元素的發現和1941年電磁型同位素分離器的發明，解決了原子彈的關鍵技術難題。
在物理學家研究取得重大突破的同時，美國政府開始意識到核武器的重要性。1939年8月，物理學家利奧·西拉德在來到美國後，寫了一封信給羅斯福總統，希望美國能夠為核武器研發提供資金。愛因斯坦在這封信上也簽了名字。不過愛因斯坦在二戰後曾表示非常後悔自己的這個決定，他曾說過：「要是我知道德國人不能成功研製出原子彈，我一點力都不會出。」
羅斯福在收到信後，批准設立了鈾顧問委員會，開始了核武器研究的相關工作。1941年12月，日本偷襲了美國的珍珠港。美國被捲入第二次世界大戰，這更加堅定了美國政府研發核武器的決心。
第二階段，從1942年到1945年7月。在這個階段，美國政府正式批准了核武器研究計劃，即「曼哈頓計劃」；經過三年多的努力，最終成功試爆了第一顆原子彈。
1942年1月，羅斯福正式批准原子彈計劃。8月，美國陸軍工兵部隊建立了曼哈頓工程區，「曼哈頓計劃」正式命名。曼哈頓計劃雇用了超過13萬人員，花費了將近20億美金。這個工程在橫跨美國、英國和加拿大三國的30多個城市中均有進行。美國非常重視曼哈頓計劃的保密工作，當時身為副總統的杜魯門對這個計劃都一無所知。直到羅斯福病逝後，杜魯門繼任總統才了解到這個計劃的存在。
1942年12月，世界上第一個可控核反應堆在芝加哥大學建成，成功實現了可控的核鏈式反應，人類歷史正式邁入原子能時代。1943年春，被稱為「原子彈之父」的奧本海默領導科研人員開始在新墨西哥州進行原子彈的製造工作。
1944年，美國生產出第一批濃縮鈾原材料。1945年7月12日，第一顆實驗性原子彈開始最後的裝配；7月16日，美國的第一顆原子彈在新墨西哥州的沙漠中試爆成功，爆炸當量大約21,000噸TNT炸藥（常見炸藥之一，被用來表示核爆炸釋放能量的一種習慣計量）。
原子彈的試爆成功，讓奧本海默不禁想到《薄伽梵譚》中的一句：「我現在成了死神，世界的毀滅者。」當時正在德國波茨坦與邱吉爾、史達林開會的總統杜魯門收到原子彈試爆成功的消息後，暗示史達林美國已經掌握了一種威力巨大的神秘武器。史達林雖然反應冷淡，但暗地裡敦促蘇聯科學家加快了核武器的研究進程。
人類歷史上第一次核試驗
第三階段，1945年7月到1945年8月。在這個階段，日本拒絕了《波茨坦公告》，於是美軍用飛機向日本投擲原子彈，迫使日本投降。
在成功試爆原子彈之前，美軍就組織了專門的飛行部隊——「509混合部隊」，計劃攜帶原子彈轟炸德國和日本。1945年5月，美軍大致確定了日本包括廣島和長崎在內的五個城市，用來當作原子彈轟炸的目標。這些城市基本上在夜間轟炸中被略過，陸軍航空部隊同意避開這些目標，由此可以準確地評估原子彈轟炸的效果。
1945年7月26日，同盟國發布《波茨坦公告》，敦促日本軍隊無條件投降，否則將遭受毀滅性打擊。但日本政府拒絕接受公告。於是杜魯門在波茨坦就授權美軍對日本使用原子彈。在使用原子彈之前，美軍飛機在日本各大城市的上空投放了大量的傳單，提醒日本民眾儘早離開城市。
1945年8月6日，美軍飛機艾諾拉·蓋伊號攜帶原子彈向廣島飛去。雖然日本雷達偵測到了飛機入侵，但還沒來得及採取防空措施時，艾諾拉·蓋伊號就向廣島投放了名為「小男孩」的原子彈。原子彈爆炸後，廣島市區69％的建築物遭到摧毀，約30％的人口喪生。
美軍轟炸廣島後，美國總統杜魯門警告日本，如果還不投降，原子彈轟炸還會繼續。在廣島原子彈爆炸後的第二天，蘇聯向日本宣戰，日軍高層想要委託蘇聯居中調和的計劃已經破產。
8月9日，美軍飛機博克斯卡號攜帶「胖子」原子彈，原本打算轟炸小倉市。但由於小倉市的日軍防空炮火比較猛烈，而且天氣狀況也不利於轟炸。所以機隊決定轟炸長崎市。當天11時，博克斯卡號飛臨長崎市上空，投下了原子彈。除了大量日本平民傷亡外，在長崎市內收容戰俘的建築中，據說也造成了盟軍士兵（主要是英軍與荷軍）大量的傷亡。
長崎原子彈爆炸所產生的蘑菇雲
在長崎原子彈爆炸的第二天，日本天皇就已經決定了要向同盟國投降。但是日本內閣和軍隊高層仍不能達成一致意見。8月14日，日本的昭和天皇決定接受《波茨坦公告》。當時仍有部分日軍將士試圖發動軍事政變，阻止日本向同盟國宣告投降，但政變最後以失敗告終。8月15日，天皇的《終戰詔書》通過廣播向全日本播放，日本宣告無條件投降，第二次世界大戰全面結束。
儘管原子彈結束了戰爭，戰後越來越多的人認為包括原子彈在內的所有核武器是當今世界和平的重大威脅，核武器應該全部銷毀。雖然以美國為代表的核大國近年來減少了核武器的數量，但核戰爭的陰影仍然籠罩著全球。