Broń jądrową po raz pierwszy zastosowali Amerykanie. Została ona zrzucona
z samolotów na japońskie miasta Hiroszimę i Nagasaki. Do grupy tej należą głowice, których jedynym źródłem energii jest reakcja rozszczepienia.
Budowa, rozmiary i masa bomby atomowej zbliżone do konwencjonalnej bomby lotniczej. Bomba atomowa czerpie swoją energię z reakcji rozszczepienia ciężkich jąder atomowych (np. uranu lub plutonu) na lżejsze pod wpływem bombardowania neutronami. Rozpadające się jądra emitują kolejne neutrony, które bombardują inne jądra, wywołując reakcję łańcuchową. Jednak do momentu wybuchu ładunek jądrowy jest podzielony na kilka części o masie mniejszej od masy krytycznej (to minimalna masa,
w której reakcja rozszczepienia przebiega w sposób łańcuchowy, czyli każde jedno rozszczepienie jądra atomowego inicjuje dokładnie jedno następne rozszczepienie). Urządzenie zapłonowe bomby jądrowej składa się z mechanizmu o działaniu czasowym lub uderzeniowym, detonatora i ładunku materiału wybuchowego. Powłoka bomby jądrowej wykonywana jest z twardego, trudno topliwego materiału.
Poszczególne części ładunku jądrowego umieszczone są w reflektorze neutronów, który ogranicza wylot neutronów, zwiększa przychwytywanie rozszczepiającej się podczas reakcji termojądrowej substancji, a tym samym zwiększa moc wybuchu. Moc wybuchu bomby atomowej określa równoważnik trotylowy. Jest to ilość trotylu niezbędna do uzyskania energii odpowiadającej energii wybuchu danego ładunku jądrowego. Równoważnik trotylowy oznacza się skrótem kt (kilotona) lub Mt (megatona). Wybuch bomby jądrowej o sile 1 kt jest równy wybuchowi jednego tysiąca ton trotylu.
Zasada działania bomby atomowej polega na wytworzeniu/przekroczeniu w jak najkrótszym czasie masy krytycznej ładunku jądrowego, co uzyskuje się poprzez połączenie kilku porcji materiału rozszczepialnego. Połączenie to musi odbyć się szybko by reakcja nie została przerwana już w początkowej fazie, używa się do tego konwencjonalnego materiału wybuchowego. Jako ładunku nuklearnego używa się uranu-235 lub plutonu-239. Z jednego kilograma U-235 można uzyskać do 82 TJ (teradżule) energii. Typowy czas trwania reakcji łańcuchowej to 1 μs.
6 sierpnia 1945 startująca z wyspy Tinian superforteca B-29 Enola Gay lotnictwa USA zrzuciła na miasto 4-tonową uranową bombę atomową Little Boy. W chwili ataku
w Hiroszimie mieszkało 275 tysięcy ludzi, oprócz tego stacjonował tam 40-tysięczny garnizon wojskowy. Bombę zrzucono na śródmieście miasta (celem był most Aioi – podobno najbardziej charakterystyczny punkt w mieście, w który załodze bombowca było łatwiej celować). Wybuchła o godzinie 8:16:02 na wysokości 580 metrów z siłą około 15 kiloton trotylu zabijając natychmiast 78 100 mieszkańców i ciężko raniąc 37 424. 13 983 osób uznano za zaginione. Był to pierwszy w historii atak
z użyciem broni nuklearnej. Drugi miał miejsce trzy dni później na Nagasaki.
Oficjalna wersja, podana przez prezydenta Trumana mówiła, że chodziło
o zastraszenie Japonii, zmuszenie jej do kapitulacji, skrócenie agonii. 9 września 1944
w Poczdamie został podpisany przez Roosevelta i Churchilla protokół, który stwierdzał, że „gdy tylko bomba zostanie już ukończona, to po gruntownym zastanowieniu się będzie można użyć jej przeciw Japończykom”. 16 lipca 1944 roku na poligonie Almogordo
w Nowym Meksyku odpalono bombę Oppeneimera. Temperatura w centrum eksplozji osiągnęła temperaturę wyższą od tej w środku słońca, a fala podmuchu po eksplozji była równa sile 10 tysięcy ton TNT (trotylu). Informację o tym przesłano do prezydenta USA, który wracał właśnie z Poczdamu. Truman z miejsca podpisał rozkaz jak najszybszego użycia nowej broni przeciw Japonii.
Cesarz już w 1942 został powiadomiony o niemożliwości wygrania tej wojny, dowództwo floty japońskiej stwierdziło, że klęska jest nieunikniona. Japonia stworzyła swój plan obrony terytorium zwany „Operacja Decyzja”. Przewidywał on użycie 10 tysięcy samolotów samobójczych, 53 dywizje piechoty i 25 brygad. Razem 2 miliony 350 tysięcy wyszkolonych żołnierzy. Oprócz tego przewidywano wsparcie wojska
4 milionami cywilnych pracowników armii i marynarki oraz 28-milionową milicją cywilną. Uzbrojeni mieli oni być m.in. w bambusowe włócznie, łuki i strzały.
Alianci obliczyli, że jeżeli inwazja okaże się konieczna, to straty w ludziach będą dla nich wynosiły około miliona zabitych i rannych, po stronie japońskiej spodziewano się liczby 10 do 20 milionów. Dlatego też celem aliantów było złamanie oporu Japonii zanim inwazja będzie konieczna. 1 sierpnia 6 600 ton materiałów wybuchowych spadło na pięć miast na Północnym Kiusiu, a w pięć dni później zrzucono pierwszą bombę atomową na Hiroszimę – główną kwaterę II armii oraz ważny port przeładunkowy.
4 sierpnia zrzucono prawie 1 milion ulotek, że miasto zostanie „starte“, ale nikt na to nie zwrócił uwagi. Spośród 245 tysięcy mieszkańców miasta 100 tysięcy zmarło zaraz po wybuchu a kolejne 100 w dniach następnych.
Nic nie świadczyło, że można doprowadzić do kapitulacji Japonii bez użycia broni jądrowej. Rosja wkroczyłaby wtedy na teren Japonii, doszłoby do ciężkich walk
w Mandżurii i na pewno nie poprzestano by konwencjonalnych bombardowań, które
i tak siłą dorównywały prawie broni jądrowej. I najprawdopodobniej nie obeszłoby się bez inwazji! Dlatego też zrzucone bomby uratowały życie wielu Japończykom i aliantom. „Polegli w Hiroszimie i Nagasaki byli nie tyle ofiarami technologii anglo-amerykańskiej, ile sparaliżowanego systemu rządzenia”. Wielu wojskowych, w tym również amerykańskich, jest zdania, że użycie broni atomowej z punktu widzenia militarnego nie było konieczne. Japonia i tak już była na krawędzi kapitulacji. Admirał William
F. Halsey Jr. również pisał, że “pierwsza bomba atomowa była niepotrzebnym eksperymentem. Zrzucenie jej było błędem”. Niektórzy naukowcy amerykańscy pracujący nad bombą atomową proponowali, aby zademonstrować politykom
i generałom japońskim pokazowy wybuch bomby atomowej. I to podziałałoby już dostatecznie odstraszająco, by zmusić ich do kapitulacji. Rząd i generałowie amerykańscy odrzucili jednak tę propozycję.