באוגוסט 1945 הוטלו שתי פצצות אטום על הערים היפניות הירושימה ונגאסקי. כ-100 אלף איש נהרגו ישירות מפצצות אלה. רבים נוספים נפצעו ומתו בשנים לאחר מכן. בעקבות הפצצות אלה נכנעה יפן ב- 14 לאוגוסט 1945.פצצת ביקוע גרעיני הינה סוג של נשק המנצל את האנרגיה הרבה שאגורה בגרעין האטום ומשתחררת בתהליך של ביקוע גרעיני - פירוק גרעין כבד לגרעינים קלים יותר. היכולת לביקוע האטום התגלתה בברלין, במעבדתם של אוטו האן ופריץ שטרסמן. בתהליך זה, גרעין האטום נבקע לשניים כאשר פוגע בו נייטרון, וחלק מן המסה של הגרעין הופכת לאנרגיה עצומה.
בשנת 1939, שלושה פיזיקאים יהודים הבינו כי כתוצאה מתהליך זה עלולה להיווצר "תגובת שרשרת" של ביקוע, כלומר, הגרעין המתבקע פולט שני נייטרונים או יותר, אחד מהם עשוי לפגוע בגרעין נוסף ולבקעו, וכך הלאה. כאשר המסה של החומר הבקיע גדולה די הצורך ("מסה קריטית"), משתחררת בתוך זמן קצר כמות אדירה של אנרגיה. ההבנה כי ניתן לרתום את עוצמת האנרגיה המשתחררת בתגובת שרשרת ליצירת נשק אדיר הייתה קצרה.
פיזיקאים אלו ידעו מניסיונם כי המחקר בתחום זה בגרמניה מתקדם ביותר והבינו היטב כי אם תינתן הפצצה להיטלר, הוא לא יהסס להשתמש בה. הם שיכנעו את אלברט איינשטיין להתריע על סכנה זו בפני הנשיא רוזוולט. איינשטיין עשה זאת במכתב שבעקבותיו הורה הנשיא להגביר את המחקר בתחום הפיזיקה הגרעינית. ידוע כי איינשטיין התחרט מאוחר יותר על שליחת מכתב זה.
רעיון הפצצה הגרעינית התגלגל ממשרד למשרד, ורק במאי 1942 נפלה ההחלטה בבית הלבן להוציא את התוכנית אל הפועל במלוא המרץ. שם הצופן של הפרויקט היה "פרויקט Y" אך כולנו מכירים אותו בשם "פרויקט מנהטן" וזאת משום שחיל ההנדסה אשר היה אחראי לפרויקט הקים במנהטן משרד לצורך ניהול הפרויקט.
ראש הפרויקט האמריקני, הפיזיקאי היהודי רוברט אופנהיימר זכה לפרסום רב וכונה "אבי פצצת האטום". תגובת השרשרת הגרעינית מעשי ידי אדם הראשונה מעולם הושגה בשנת 1942 וב־1945 נוסה הנשק הגרעיני לראשונה באתר טריניטי, סמוך לאלאמוגורדו, ניו מקסיקו. בעקבות הצלחת
הניסוי יוצרו שתי פצצות ביקוע גרעיני - "ילד קטן", אשר הוטלה על הירושימה ו-"איש שמן" אשר
הוטלה על נגאסקי.
ברית המועצות פוצצה את הפצצה הגרעינית הראשונה שלה ב-29 באוגוסט 1949. תכנון הפצצה התבסס בעיקר על התכנון האמריקאי, שאותו קיבלה ברית המועצות מהמרגל קלאוס פוקס ועל סמך מיתקנים של גרמניה הנאצית, בשטח מזרח גרמניה לשעבר.
עוצמתה של פצצת ביקוע גרעיני נמדדת בקילוטון TNT (אלף טון). עוצמתה של "ילד קטן", הייתה כ-13 עד 16 קילוטון TNT. עוצמתה של "איש שמן" היתה גדולה יותר והגיעה ל- 21 קילוטון TNT.
"ילד קטן" הוא שם הקוד שניתן לפצצה הגרעינית אשר הוטלה על הירושימה ב-6 באוגוסט 1945 על ידי מטוס חיל האוויר האמריקאי מסוג B-29 "אנולה גיי". הפצצה חומשה במהלך הטיסה בגובה 9,600 מטר מעל הירושימה והוטלה על העיר בשעה 8:15 לפי שעון יפן. הפיצוץ אירע בגובה 580 מטר מעל פני העיר. מכיוון שהירושימה ממוקמת על שטח מישורי, נגרם נזק כבד לעיר ומספר ההרוגים היה רב. כ-70,000 בני אדם נהרגו כתוצאה ישירה מהפיצוץ ומספר דומה של אנשים נפצעו. מספר רב יותר של אנשים מתו מאוחר יותר כתוצאה מהנשורת הגרעינית וממחלות הקרינה. עוברים רבים מתו בטרם נולדו, או שנולדו עם עיוותים גופניים שונים. בגדיהם של אנשים רבים שהיו במרחק רב ממוקד הפיצוץ נצרבו לתוך עורם.
בארצות הברית דיווחו על הצלחת הפיצוץ בהתלהבות רבה, אולם יפן נכנעה רק לאחר הטלת הפצצה השנייה - "איש שמן", על העיר נגסאקי שלושה ימים מאוחר יותר. בבוקר ה-9 באוגוסט 1945, יצא מפציץ בי-29 אשר כונה "בוקסקאר" כאשר הוא נושא בבטנו את הפצצה "איש שמן". היעד המקורי היה העיר קוקורה, שנבחרה כיוון ששכנו בה מפעלי נשק רבים ששימשו את צבא יפן, אך בשל עננות כבדה על העיר הוחלט להמשיך ליעד המשני: נגסאקי. בשעה 11:01 בבוקר לפי שעון יפן, הוטלה הפצצה הגרעינית על עמק אזור התעשייה של העיר נגסאקי, והתפוצצה 43 שניות מאוחר יותר בגובה 469 מטרים. בשל פני השטח ההרריים של נגסאקי, עוצמת הנזק הייתה פחותה מזו שבהירושימה אף על פי שעוצמת הפצצה הייתה חזקה יותר. נזקיה של הפצצה התמקדו בעמק אזור התעשייה: שטח ברדיוס 1.6 ק"מ הוחרב כליל, שריפות פרצו בחלקה הצפוני של העיר עד למרחק של 3.2 ק"מ דרומית למקום נפילת הפצצה. לפי הערכות, כ-40,000 מתושבי העיר נהרגו מיד עם הטלת הפצצה, עוד כ-25,000 נפצעו ואלפים רבים מתו בשנים שלאחר מכן כתוצאה מפציעתם ומתופעות לוואי של הקרינה והנשורת הרדיואקטיבית.
השימוש בנשק הגרעיני הביא לסיום המלחמה לפני פלישה מתוכננת לאיי יפן. ממשלת יפן נכנעה ללא תנאי וזאת מכיוון שיפן חששה מהטלת פצצות גרעיניות נוספות על ידי ארצות הברית (האמת הייתה ששתי הפצצות שהוטלו על הירושימה ונגסאקי היו היחידות שהוכנו). מאז ועד היום לא נעשה שימוש נוסף בפצצה גרעינית כנשק מלחמתי.
