Hoa Kỳ, với sự hỗ trợ của Anh và Canada, đã thiết kế và chế tạo những quả bom nguyên tử đầu tiên trong dự án Manhattan. Dự án ban đầu được khởi động bởi những nhà khoa học đến từ Châu Âu (có cả Albert Einstein) và các nhà khoa học Hoa Kỳ, những người lo ngại nước Đức phát-xít cũng tiến hành chương trình phát triển vũ khí nguyên tử (chương trình, sau này, được biết là có tồn tại nhưng với quy mô nhỏ hơn rất nhiều và tiến độ bị người Mỹ bỏ xa). Riêng dự án thu hút tổng cộng 130.000 người từ hơn 30 tổ chức trên khắp nước Mỹ ở thời điểm sôi động nhất và tiêu tốn tổng cộng 2 tỷ đô la Mỹ thời đó, là một trong những dự án nghiên cứu, phát triển vĩ đại nhất và tốn kém nhất của mọi thời đại.

Quả bom đầu tiên mang tên "Gadget" được kích nổ trong chương trình thử nghiệm "Trinity" gần Alamogordo, tiểu bang New Mexico ngày 16 tháng 7 năm 1945. Các quả bom thả xuống Hiroshima và Nagasaki là những quả thứ hai và thứ ba được chế tạo và cho đến nay, chúng vẫn là những vũ khí hạt nhân duy nhất được đưa ra sử dụng.

Trong Chiến tranh thế giới thứ hai, hai phe tham chiến đều theo đuổi chính sách ném bom chiến lược và nhằm vào cơ sở hạ tầng dân sự. Trong rất nhiều trường hợp, ném bom chiến lược cướp đi sinh mạng của vô số dân thường và gây nhiều tranh cãi. Tại Đức, cuộc tập kích hàng không chiến lược của phe Đồng Minh vào thành phố Dresden gây hậu quả là 30.000 người thiệt mạng. Theo cơ quan Lịch sử chiến tranh Nhật Bản, các cuộc ném bom thành phố Tokyo tháng 3 năm 1945 làm 72.489 người chết. Đến tháng 8 năm 1945, khoảng 60 thành phố của Nhật đã bị tàn phá trong chiến dịch ném bom ồ ạt. Tokyo và Kobe cũng hứng chịu các cuộc tập kích bằng bom ồ ạt này.

Trong hơn ba năm rưỡi tham chiến trực tiếp ở Chiến tranh thế giới thứ hai, có khoảng 400.000 người Mỹ thiệt mạng. Khoảng một nửa số đó là trong chiến tranh với nước Nhật. Cho đến trước hai vụ đánh bom nguyên tử, trận đánh chiếm đảo Okinawa dẫn đến cái chết của 50 ngàn đến 150 ngàn thường dân, 100 ngàn đến 125 ngàn binh sĩ Nhật. Thương vong phía Hoa Kỳ là 72.000. Con số khác đưa là 107.539 người chết cộng với 23.764 chết trong các hang kín và được chôn cất bởi phía Nhật. Vì con số trên vượt quá số lượng quân Nhật trên đảo, phía tình báo quân sự cho rằng có khoảng 42.000 tử vong là dân thường. Lý do phổ biến cho việc ném bom nguyên tử vào Nhật Bản là việc xâm lược các đảo chính của Nhật sẽ khiến thương vong gấp nhiều lần con số thiệt hại ở Okinawa.

Phó Tổng thống Harry S. Truman không hề biết dự án Manhattan cho đến khi Franklin D. Roosevelt qua đời. Lên nắm quyền, Truman đề nghị Bộ trưởng chiến tranh Hoa Kỳ lúc đó là Henry Lewis Stimson chủ trì một nhóm các nhân viên xuất sắc gọi là Ủy ban Nội chính bao gồm cả các nhà khoa học uy tín để cố vấn cho Tổng thống các vấn đề quân sự, chính trị và khoa học phát sinh từ việc sử dụng bom nguyên tử. Ngày 31 tháng 5, Stimson đệ trình các kết luận của ông ta trước Ủy ban này và nhóm khoa học của Ủy ban. Stimson ủng hộ việc sử dụng bom nguyên tử, "nhiệm vụ của chúng ta là kết thúc chiến tranh nhanh chóng và có lợi". Nhưng tiến sĩ Robert Oppenheimer, thành viên của nhóm khoa học, tuyên bố rằng một quả bom đó thôi cũng có thể giết tới 20 ngàn sinh mạng và nên hướng vào mục tiêu quân sự chứ không phải dân sự. Một nhà khoa học khác, Tiến sĩ Arthur Compton, đề nghị rằng nên thả quả bom vào một hòn đảo hoang vu của Nhật Bản để thị uy đồng thời giảm thiểu thiệt hại sinh mạng thường dân. Nhưng lời đề nghị này sớm bị từ chối với lý lẽ rằng, nếu phía Nhật biết trước về cuộc tấn công, máy bay ném bom sẽ bị bắn hạ hoặc quả bom đầu tiên có thể không phát nổ.

Đầu tháng 7, trên đường đi dự Hội nghị Potsdam, Truman xem xét một lần nữa quyết định sử dụng bom nguyên tử. Cuối cùng, ông ra quyết định thả bom nước Nhật. Ông tuyên bố ý định của việc yêu cầu đánh bom là để nhanh chóng mang lại giải pháp cho chiến tranh bằng cách gây ra sự tàn phá và gieo rắc kinh hoàng về những thiệt hại tiếp theo, điều đó đủ làm cho Nhật Bản chấp nhận đầu hàng.

Ngày 26 tháng 7, Truman và các lãnh tụ phe Đồng minh ra bản Tuyên bố Potsdam, vạch ra điều kiện đầu hàng cho nước Nhật:

Ngày hôm sau, các báo chí Nhật nêu rằng, bản tuyên bố, văn bản được truyền bá và trong những tờ truyền đơn thả xuống Nhật Bản đều bị từ chối. Những quả bom nguyên tử vẫn được giữ bí mật và không hề đả động trong bản tuyên bố. Chính phủ Nhật Bản không thể hiện ý định chấp nhận tối hậu thư. Thủ tướng Nhật Suzuki Kantaro còn phát biểu tại họp báo rằng Tuyên bố Potsdam chỉ là sự lặp lại của Tuyên bố Cairo và chính phủ của ông không quan tâm đến nó.

Thiên hoàng Hirohito, vốn đang chờ đợi Liên Xô trả lời những thăm dò về hòa bình, đã không có bất kỳ thay đổi lập trường của chính phủ. Ngày 31 tháng 7, ông tuyên bố rõ ràng rằng quyền lực của hoàng đế phải được bảo vệ bằng mọi giá.

Bộ phận lựa chọn mục tiêu ở trung tâm nghiên cứu Los Alamos trong hai ngày 10 và 11 tháng 5 năm 1945 đề xuất các mục tiêu là Kyoto, Hiroshima, Yokohama và một xưởng vũ khí tại Kokura. Bộ phận này từ chối việc sử dụng vũ khí nguyên tử chỉ bó hẹp ở mục tiêu quân sự bởi khả năng để lọt mục tiêu nhỏ nằm giữa khu dân cư. Đối với ủy ban, tác động tâm lý lên nước Nhật là rất quan trọng. Họ cũng thống nhất rằng việc sử dụng bom nguyên tử lần đầu cần phải chuẩn bị kỹ lưỡng bởi vì sự quan trọng của nó sẽ gây tiếng vang quốc tế. Bộ phận này lựa chọn Kyoto bởi đây là trung tâm văn hiến của Nhật Bản, và có quy mô dân cư tốt hơn cả để đánh giá hiệu quả của vũ khí. Hiroshima được lựa chọn bởi đây là thành phố lớn, là cơ sở hậu cần quân sự quan trọng và thành phố được bao bởi các ngọn đồi – giúp gây ra hiệu ứng hội tụ, làm tăng sức hủy diệt của quả bom.

Bộ trưởng chiến tranh Henry L. Stimson bất chấp chống đối của tướng Leslie Groves – trưởng dự án Manhattan, gạt bỏ Kyoto khỏi danh sách bởi tầm quan trọng về mặt văn hóa của thành phố. Theo giáo sư Edwin O. Reischauer, Stimson biết và hâm mộ Kyoto kể từ chuyến đi trăng mật của ông từ nhiều thập kỷ trước, khi văn hóa ứng xử của thị dân nơi đây mang đến cho ông những cảm giác khó quên.

Tuy nhiên, cũng có số đông khác tin rằng chính nhà khảo cổ và sử học nghệ thuật người Mỹ Langdon Warner - chứ không phải Henry Stimson - mới là người kêu gọi chính quyền Mỹ không ném bom các thành phố mang nhiều di sản văn hóa như Kyoto. Thậm chí, ngày nay còn có các tượng đài ghi nhớ công ơn Warner ở hai thành phố Kyoto và Kamakura của Nhật Bản. Trong cuốn sách tựa đề "Ném bom nguyên tử Kyoto" xuất bản năm 1995, nhà sử học Nhật Bản Morio Yoshida lập luận rằng Langdon Warner chính là vị cứu tinh của Kyoto[2].

Ngày 25 tháng 7 năm 1945, tướng không quân Carl Andrew Spaatz được chỉ thị ném bom một trong những mục tiêu: Hiroshima, Kokura, Niigata hoặc Nagasaki và các thành phố khác ngay sau ngày 3 tháng 8 khi thời tiết cho phép và các vũ khí nguyên tử bổ sung nữa sẵn sàng.

Đầu năm 1945, Mỹ vẫn còn phân vân trong việc chọn mục tiêu ném bom. Nhà sử học Alex Wellerstein của Viện Công nghệ Stevens (Mỹ) cho rằng ở thời điểm đó, Mỹ còn đang cân nhắc những câu hỏi như “Mục tiêu có nên là một thành phố hay là một căn cứ quân sự? Hay là chỉ cần phô trương quả bom mà không gây thương vong”.[3] Vào mùa xuân năm 1945, quân đội Mỹ đã triệu tập một ủy ban gồm nhiều sĩ quan và các nhà khoa học để quyết định xem nên thả bom nguyên tử xuống vị trí nào. Ủy ban này xác định 2 mục tiêu của vụ thả bom nguyên tử đầu tiên là dọa cho người Nhật sợ đến mức đầu hàng không điều kiện và gây ấn tượng với cả thế giới về sức mạnh của loại vũ khí mới.

Nhà vật lý học Edward Teller cho rằng: “Hy vọng duy nhất là để mọi người thấy thấy được kết quả của những gì chúng ta đã làm. Điều này có thể giúp thuyết phục mọi người rằng cuộc thế chiến kế tiếp sẽ vô cùng tàn khốc. Vì mục đích này, việc đem sử dụng (bom nguyên tử) trong chiến trận thực tế có thể sẽ là lựa chọn tốt nhất”.

Thế là ủy ban mục tiêu đã quyết định những quả bom nguyên tử của Mỹ không những phải gây thương vong mà còn phải gây ấn tượng mạnh, như xóa sổ một thành phố ra khỏi bản đồ thế giới. Điều này sẽ rất kinh khủng, nhưng họ lại muốn nó kinh khủng như vậy để chấm dứt chiến tranh thế giới thứ hai và ngăn chặn việc sử dụng bom hạt nhân trong tương lai.[3]

Robert Norris, một thành viên Liên đoàn các nhà khoa học Mỹ và từng nhiều năm nghiên cứu lịch sử của những vụ ném bom nguyên tử đầu tiên, nhận định việc Mỹ ném bom hủy diệt Hiroshima "thật sự (khiến thế giới không còn dám nghĩ đến chiến tranh hạt nhân) nhiều năm sau đó”[3]