当时日本政府定下的方针是，最好与盟国达成体面和平，起码应保留天皇制度，若盟国坚持要求无条件投降，那么日本将血战到底。因此，在进行和平试探的同时，最高战争指导会议于6月6日通过把战争进行到底的决议。虽然天皇在两天后的御前会议上批准了该决议，但他内心却有一种不祥之兆。在宫内大臣木户的鼓动下，他于6月22日即冲绳岛被宣布占领的当天，召集最高战争指导会议成员开会，亲自过问和谈事宜，希望立即采取行动，派使者赴苏联交涉。与此同时，广田和马立克仍在进行接触，他以让出在中国东北的特权为条件，要求苏联再次做出中立保证。但数日过去，苏方仍不予理会。日本人哪里知道，他们给的这点好处，斯大林早在2月份的雅尔塔会议期间就已从罗斯福那里得到了，甚至比日本答应的还要多。不明真相的天皇终于按捺不住了，于7月7日召见铃木首相，指示他切勿错过探寻苏联真正意图的时机，立即派特使到苏联去直接交涉。7月12日，前首相近卫文磨被召到东京，天皇亲自向他下达了出使苏联的命令。同时，日本驻苏大使佐藤尚武接到政府来电，指示他就近卫访苏事宜同苏方磋商。佐藤对此不抱希望，认为通过谈判缔结和约得不到苏联的支持，除接受无条件投降外，别无他途。
此时，在美国国内，决策者们正设法寻求使日本无条件投降而又不必进行计划中的进攻日本本土的途径。为夺取小小的冲绳岛而付出的可怕代价，使预计中的进攻日本本土的伤亡数字加码到100万大关了。常规轰炸和海上封锁看来不足以使日本尽快接受无条件投降，惟一的办法是使用即将研制成功的原子弹。6月1日，杜鲁门总统收到由陆军部长史汀生领导的临时委员会的报告，建议尽快使用原子弹，加快结束太平洋战争。在6月18日总统召集的一次会议上，杜鲁门接受了进攻九州的计划，并初次讨论到使用原子弹的可能性。史汀生和马歇尔都主张使用原子弹，轰炸一个能明确显示其威力的目标。陆军助理部长麦克洛伊则强调，在使用原子弹前，应给日本人以适当的警告和投降的机会。当7月16日杜鲁门抵达柏林参加代号为“终点站”的波茨坦会议时，他接到第一颗原子弹试爆成功的喜讯，这使他信心倍增。丘吉尔在得知这一消息后，也感到无比兴奋，认为进攻日本已没有必要。在会议的前两天，斯大林向杜鲁门透露了日本人曾请他出面调停，但他未作肯定答复，并问杜鲁门是不是应该置之不理。实际上，杜鲁门从军方所截收的莫斯科与东京之间的电报中，已知道了这一情况，但由于他此时手中已有原子弹这张王牌，不想接受日本人的任何投降条件，因此让斯大林自行其是。于是，驻莫斯科的佐藤大使便被告知，由于天皇的建议含糊不清，苏联无法做出答复。
7月24日，杜鲁门把美国已经拥有能使战争结束的威力巨大的原子弹一事透露给斯大林，其用意一方面在于炫耀，另一方面在于暗示苏联已无必要参战。但斯大林只是轻描淡写地说听到这个消息很高兴，希望美国会好好地用它来对付日本，而苏联则仍将于8月份对日宣战。同一天，杜鲁门批准了向战略空军司令卡尔·斯帕茨将军下的命令，该命令称：“1945年8月3日后，一俟天气条件允许目视轰炸，第20航空队第509混合大队即对下列目标之一投掷第一颗特种炸弹：广岛、小仓、新潟和长崎。”
作为对日本的最后警告，两天后，中、美、英三国发表《波茨坦公告》，促令“日本政府立即宣布其所有武装部队无条件投降”。该公告既未提到原子弹也未提到天皇，只警告说若不立即投降，将遭彻底毁灭。
东乡外相在听到这个公告后认为这不是无条件投降的命令，建议要慎重对待，不予评价，但军方却要求公开拒绝。作为妥协，铃木首相于7月28日在记者招待会上称：“我认为，《波茨坦公告》只不过是《开罗宣言》的翻版，因此政府不予重视。我们对之‘默杀’（不予评论之意）。”
杜鲁门在听到铃木的讲话后只说了一句话：“现在没有选择余地了。”
此时此刻，日本政府仍指望苏联出面，做出某种有利于日本的和平创议。东乡电令佐藤：“请再作努力，务使苏联对派特使去一事产生热情。……关于此事，一日之差可能铸成千年悔恨。”但苏联此时已在中苏边境陈兵百万，即将对日作战，因此对日本的呼吁继续装聋作哑。
美国此时则已不耐其烦，急于赶在苏联参战前结束这场战争。8月6日凌晨，蒂贝茨上校驾驶“伊诺拉·盖伊”号B-29轰炸机在两架护卫机的护航下从提尼安岛起飞，机上携带着取名“小男孩”的原子弹。8时15分，“伊诺拉·盖伊”号在日本广岛1万米上空投下“小男孩”。43秒后，这颗当量为2万吨梯恩梯的原子弹在距地面666米处爆炸，顷刻间，广岛大部分市区化为一片焦土，10万人被炸死。16小时后，白宫发表声明，宣布对日本使用了原子弹，并称《波茨坦公告》的目的在于使日本人民免遭彻底毁灭，但日本领导人却拒绝了它：“如果他们现在仍不接受我们的条件，那么一系列毁灭性打击将如雨点般从天而降。这种毁灭在地球上还从未有过。”
东京对这一警告仍不予答复，只是电令佐藤在莫斯科加紧活动。8月8日下午，莫洛托夫终于召见佐藤。佐藤欣然前往，但他等来的不是帮助，而是宣战。当晚，强大的苏军在华西列夫斯基元帅指挥下，以迅雷不及掩耳之势进入中国东北同日本关东军作战。
9日上午，斯威尼少校驾驶B-29轰炸机“博克的小汽车”，携带取名为“胖子”的第二颗原子弹来到小仓上空。但由于小仓上空云层较厚，无法找到瞄准点而改飞长崎。11时零1分，“博克的小汽车”在长崎上空投下“胖子”。由于长崎周围都是山，影响了原子弹的轰炸威力，因此破坏程度不及广岛，但仍造成10万人的伤亡，其中亡4万。
在“胖子”轰炸长崎的同一天，铃木首相召集最高战争指导会议成员开会，讨论投降事宜。会上形成三对三的局面，即铃木、东乡和米内主张立即投降，阿南、梅津、丰田主张继续抵抗。午夜时分，天皇召集御前会议，会上仍是争论得不可开交。铃木最后只好把矛盾上交给天皇，让天皇定夺，尽管宪法规定，天皇只有批准而没有提出政策的权力，但他决意要破这个例。天皇痛苦地站起来说道：“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，延长人类的流血和暴行。我不忍目睹无辜国民再受苦受难。恢复世界和平、解除国家之可怕苦难的惟一办法就是结束战争。”
他承认《波茨坦公告》的条件不能容忍，“但现在是我们忍不住也得忍的时候了。”
接着召开的内阁会议，决定在保留天皇地位的前提下接受《波茨坦公告》。这个决定被很快通过瑞士和瑞典的外交渠道转送给美国、英国、苏联和中国。
在接到日本的上述决定后，美国在征得中、苏、英三国同意后于11日通过无线电向日本作了答复，其中在涉及天皇的地位问题上规定：从投降之时起，天皇及日本政府的权力必须隶属于盟军最高统帅；日本政府的最终形式将根据日本国民自由表明的意志来决定。与此同时，为保持军事压力，美军继续出动轰炸机对日本进行轰炸。哈尔西的第3舰队于8月13日出动飞机1000架次，再次对东京进行袭击，使对日本的空袭达到最高潮。
在是否接受盟国的答复问题上，日本统治集团内部又经过两天的激烈争吵，还是不能取得一致意见，最后不得不再次请天皇出面定夺。8月14日上午，天皇在御前会议上指示接受盟国的答复，希望内阁立即起草投降诏书，并说要亲自发表广播讲话。午夜时分，天皇在宫内省开始录制接受无条件投降的诏书。午夜过后，几名少壮派军官发动了一次小规模兵变，他们杀死了天皇的近卫师长，冲进皇宫，搜寻天皇的讲话录音，并放火焚烧了铃木首相的官邸。但他们的兵变很快就因得不到支持而瓦解了。曾极力主张战斗到底的阿南陆相也于凌晨剖腹自杀。
8月15日上午，美方出动800多架轰炸机对东京进行了最后一次大规模的空袭。
中午12点，天皇的讲话录音按时播了出去。几乎所有的日本人在听了讲话后都流下了痛苦而怀疑的眼泪，但其中大部分人内心也不免有一种解脱之感。
同一天，杜鲁门总统宣布停止敌对行动。这一天，太平洋地区的所有盟军和被侵略国家，都沉浸在一片欢腾之中。