5月11日，美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯召集有关专家开会，进一步研究目标委员会的建议。会议首先讨论了一些意外情况，如果由于天气恶劣或者对方阻击，原子弹无法投下怎么办？如蒂贝茨的轰炸机执行任务后受到损伤无法降落怎么办？科学家们不断对这些有可能发生的意外提出警告。如果水渗进原子弹，将会引起爆炸。如果在同盟国领土上出现险情必须抛下原子弹时，一定要把弹筒管道内的炸药撤除。类似的紧急情况都要有合适的应对措施才能保证安全。至于轰炸目标，最终减少到5个城市。空军同意将这5个城市作为核武器的打击地，不再进行大规模的常规轰炸。
根据格罗夫斯个人的意见，京都被列为第一个轰炸目标。会议记录写道：“从心理角度考虑，京都的有利条件在于它是日本的文化中心，京都人更能理解这种武器的重大意义。”
第二个目标是广岛，它是日本第八大城市，人口约34万，位于本州岛、本州河口，是日本陆军的一个重要的军用港口，也是日本海军的舰队集结地。城里有当地的陆军司令部，驻扎军队25000人，曾是日本侵略中国山东、河南的主力部队。该城市主要集中在4个小岛上，军事工业很发达。经调查，这里最近降水很少，房屋干燥易燃，地形平坦开阔，在2000米的半径内挤满了建筑物。河渠可以成为天然的防火道，所以也是理想的原子弹试验室。更重要的一点，这里没有盟军战俘，不必担心伤到自己人。
第三个目标是横滨和小仓兵工厂，其中小仓兵工厂是日本大型军火工厂之一，从事多种类型的武器和其他防御材料的制造。厂区长1200米、宽600米，相邻有铁路车辆厂、机械厂和发电厂。此地军事意义巨大，政治影响不大。
最后一个目标是新澙，它是临日本海的一个重要港口，有炼铝厂和1个巨大的炼铁厂，并有重要的炼油厂和1个油船终点站。
委员会讨论原子弹在世界范围产生的影响时，京都得到大多数与会者的赞成，大家希望原子弹一旦出世就要在国际上产生深远的影响。与会者认为，京都人由于知识水准较高，有利于把这种国际影响发挥到最大限度。
5月24日8时，为配合“义烈”空降兵特攻队的突击，日军向美军读谷、嘉手纳2个机场发动了“菊水7号”特攻作战。两个半小时后，除4架轰炸机因故障被迫返航或迫降外，搭载空降特攻队的8架轰炸机分别在读谷和嘉手纳机场着陆。飞机尚未停稳，奥山道郎大尉就率特攻队跳下飞机，向机场上的美军飞机、油库、营房投掷手榴弹和燃烧弹。炸毁美机32架，烧毁了7万加仑的航空汽油，打死打伤数百名美军。
美军未料到日军出此一手。冲绳岛总指挥斯普鲁恩斯闻报大惊，下了他在冲绳战役中最后一道命令，让第十集团军司令巴克纳不惜一切代价夺回机场，消灭日军突击队。两天后，有“蛮牛”之称的哈尔西奉太平洋舰队司令尼米兹之命接替斯普鲁恩斯担任冲绳作战总指挥。
巴克纳不知日军兵力有多少，急忙从前线抽调1个师的兵力向2个机场发起进攻。一天后，美军全歼日军“义烈”空降特攻队，打死79名日军，没有抓到一个俘虏和伤兵。当巴克纳得知日军的79人竟牵制了他的1个师时，非常恼火，急令该师返回前线，压缩首里包围圈，以歼灭日军第三十二军的残部。
24日夜，突降大雨。日军第三十二军军长牛岛满下令全军弃城后撤。倾盆大雨掩护了撤退，也增加了撤退的难度，尤其是那些伤兵。伤兵撤离火线以来，既没有药，又缺吃少喝，能站立的伤兵在女护士的照料下，三三两两地在黑暗中相互牵拉着绳子摸索前进。美军很快就发现了日军的意图。
5月26日，美军再度大举空袭东京，在几乎未遭到有力抵抗的情况下，500架B-29轰炸机再次向东京投下4000吨燃烧弹，把40平方公里的城区化为灰烬。
5月27日，美军第十集团军司令巴克纳向全军发出命令：“有迹象表明，敌军要撤至新防线，可能对威胁其侧翼的我军发动反攻，立即给敌人施加压力，并弄清其意图，使其进退不得。决不容许敌人轻易建立起新的防线。”前线美军立即用炮火封锁道路和交叉路口，并派出侦察战斗部队插入日军第三十二军的整个首里防线。掩护撤退的日军炮火猛烈，使美军侦察部队误认为日军在顽强坚守，而不是后撤。直到29日，美国海军陆战第一师才攻入首里城郊，此时美军才知道日军确实已弃城突围。
5月28日，美军目标委员会在五角大楼召开了最后一次会议。蒂贝茨说他的21名飞行员已经精简到15名，投弹手进行了几十次投弹演习，大部分着弹点在目标的150米范围内。另外，还在不同的飞行高度进行了演习，飞行员有把握投弹后撤离现场。与会者研究了一大堆地图和侦察照片，发现京都出现了一些新情况。喷漆厂开始转产炸药，人造纤维厂正在生产硝酸纤维。火车站西部出现了1所新建的工厂，每月生产飞机引擎400台。
美军空袭横滨
5月29日，美军大规模空袭了横滨。450架B-29轰炸机投下的3200吨燃烧弹把横滨变成了一个巨大的火炬，整个城市几乎被彻底摧毁。截至6月15日，美军共出动B-29轰炸机6990架次，先后对东京、大阪、名古屋、神户、横滨等主要城市进行了17次大规模轰炸，使上述城市264平方公里地区遭到了毁灭性的破坏，而美军仅损失13架B-29轰炸机，战损率仅为2.1%。截至7月4日，美军投弹总量达到了10万吨，月平均投弹量从3月份的1.38万吨增至7月份的4.27万吨。
5月30日，日军大本营对关东军下达了对苏作战计划要领。其指导思想是，以对本土决战有利为根本方针，不拘泥于中苏边境的防守，把中国东北和朝鲜作为一个整体，实行全面持久的防御作战。
关东军号称100万人，辖31个步兵师团、9个步兵旅团、2个坦克旅团、1个敢死队和2个航空军。司令是山田乙三，参谋长是秦彦三郎。装备有5000门火炮及1200辆坦克和1900架飞机。
对于苏联的进攻，关东军主要凭借大兴安岭、穆棱河和牡丹江为天然屏障进行固守，不使苏军突入中央地带。把三分之一的兵力和兵器放在边境地区，把主力集中在中国东北腹地。日本企图利用边境有利地形消耗苏军，在苏军进攻疲惫的时候，寻机反攻，并将其消灭。日苏互不侵犯的条约有效期至1946年4月。日本人判断，苏军把作战重心从欧洲战场转移到远东战场至少需要3个月时间。另外，苏军不会在雨季发动进攻，因为雨季不利于机械化大部队的作战。鉴于此，日本人认为苏军如果发动进攻，最早也要在1946年9月中旬。