1945年3月4日，马尼拉光复。5月3日，中英美联合反攻缅甸胜利。6月22日，日本失冲绳岛。7月16日，美国成功试炸原子弹。7月26日，中英美发表《波茨坦公告》。1945年8月9日早晨，长崎原子弹爆炸后在天空升起一个高度达6万英尺(18公里)的蘑菇云。
在硫磺岛、冲绳岛以及其他地方的苦战使双方都遭受严重的人员伤亡，不过这些战役的成果是日本的缓慢撤退。随着越来越多的资深飞行员丧身战场，日本开始实行由神风特攻队直接冲击重要军事目标，试图减缓美国部队的进攻速度。但同时，东京和其他城市还是遭到了美军的轰炸。在中国战区，国军在中美空军支援下牵制日军并轰炸大陆补给线。日军意图反制而发动湘西会战与鄂西会战，中国皆防卫成功。1945年2月3日，苏联同意介入太平洋战事。1945年4月5日，苏联政府在《苏日中立条约》到期前，宣布《苏日中立条约》不再有效。投机的斯大林选择在8月8日对日宣战，发动八月风暴行动攻入中华民国东北地区。国军亦对华南地区发动躁进作战，目标广东及湖南。而同月美国分别在日本的广岛(8月6日)和长崎(8月9日)投下了两颗原子弹，震撼日本。
面对核武器的威胁与中国东北地区的丧失，日本天皇裕仁与内阁开始重新考虑投降。日本帝国在8月15日(第二次世界大战对日战争胜利纪念日)正式宣布投降。最终的投降书是于1945年9月2日在美国战列舰密苏里号上签署的，此後麦克阿瑟将军开始负责日本的重建。这段时期在日本被看作是美军的占领期。美国总统杜鲁门于1946年12月31日正式宣布，美日两国已经不处于敌对状态。
