8月10日，美国总统杜鲁门再次发出警告，如果日本不投降，将向其本土投下更多原子弹。日本政府通过瑞士政府就美军使用新式炸弹轰炸违反战时国际法一事，向美国政府提出强烈抗议。抗议书说：“使用这种以往任何武器和投掷物都无法比拟的具有不加区分的破坏性和残忍性的炸弹，是对人类文化的犯罪。帝国政府在以自己和全人类及人类文明的名义谴责美国政府的同时，严正要求必须立即停止使用这种非人道的武器。”
接下来，日本新闻界开始全力批判原子弹爆炸罪行的活动。国际上一些爱好和平的人士也纷纷发表声明，反对使用这种残忍的武器。在罗马，教皇对日本平民所受的伤亡表示抗议。在芝加哥，著名物理学家西拉德要求芝加哥大学洛克菲勒纪念教堂的神父专门为广岛和长崎的死难者做一次祈祷。在华盛顿，全美基督教堂联邦协会给杜鲁门打来电话，反对进一步使用核武器。
杜鲁门解释说，对于原子弹的使用，他比任何人都感到不安，但日本人对珍珠港的袭击和肆无忌惮地杀害战俘的做法，更令人感到不安。日本的残酷和野蛮已达到了令人发指的地步。对日本，无法讲公理和正义，日本人所能听懂的语言就是美国现在进行的轰炸。既然面对的是野兽，就得使用对付野兽的办法。
与此同时，美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯指示下属工厂加快生产钚和铀。在洛斯阿拉莫斯的原子弹试验基地，奥本海默仍在不停地安装原子弹。长崎投弹后不久，美军仍然在往提尼安岛运送原子弹的有关设备。后来，他们决定暂缓运输，因为有消息说，日本正在考虑投降。格罗夫斯和马歇尔商定，8月13日前如果日本仍然不接受无条件投降，将恢复运输。奥本海默听到这个决定后，非常高兴。他们正在给第三颗原子弹填充炸药，接到通知后，当即中断了这项工作。到了8月13日，格罗夫斯却不知该不该恢复原子弹的运输，而马歇尔和史汀生此时正在忙着分析日本人的意图。
21时（华盛顿时间10日7时），美国政府收到日本的投降照会。日本宣布接受波茨坦宣言，除了关键性的一点，即“它不能包含任何有损天皇陛下作为主权国家统治者职权的任何要求”。
美国总统杜鲁门当即同国务卿贝尔纳斯、陆军部长、海军部长以及总参谋长进行磋商。
杜鲁门逐个征求他们的意见。陆军部长史汀生和第二十一轰炸机联队司令李梅主张保留日本天皇，他们认为天皇问题与稳操胜局的战争胜利相比，是个次要的问题。贝尔纳斯不同意，他认为提出条件的应该是美国而不是日本，他说：“我不能理解我们为什么要比在波茨坦时同意做的让步还要再进一步，当时我们还没有原子弹，苏联也没有参战。”
海军部长福莱斯特尔提出了一个折中的建议，美国可以在答复中表示愿意接受日本投降，但同时用能彻底实现《波茨坦公告》的意图和目的来确定投降条件。
杜鲁门采纳了福莱斯特尔的建议，他请贝尔纳斯起草一个可以表达这一意思的复照。这个答复在其关键性条款上有意模棱两可：“从投降之时起，天皇和日本政府治理国家的权力将从属于盟军最高统帅……天皇和日本最高统帅部将被要求签署投降条件……政府的最终形式将根据波茨坦宣言，由日本人民自由表达的意志来建立。”
贝尔纳斯并不急于发出这一答复，在征求了英、苏、中三国政府的意见后，把它放在手边过了一夜，直到8月12日早上才送给无线电台去广播并经瑞士转交给日本政府。
史汀生仍然力争把日本空军控制起来，他在会上提出，美国应该停止轰炸，包括原子弹轰炸。杜鲁门不太赞同这种想法，但是他在下午召开的内阁会议上又重新做了考虑。福莱斯特尔说：“我们将以目前的强度继续作战，直到日本人同意这些条件为止，然而有一条限制，即不再投掷原子弹了。”美国商务部长亨利·华莱士在他的日记里记录了杜鲁门改变想法的理由：“总统说，他已经下达命令停止原子弹轰炸。他说想到要再消灭10万人太可怕了。他不喜欢屠杀他所称的‘那些小家伙’的主意。”
美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯热衷于使用原子弹这种新型武器，提前4天又安装了一个“胖子”。他向马歇尔汇报说，预计8月12日或13日，从新墨西哥州运来的钚弹芯和引爆器将抵达提尼安岛。只要在运输途中不发生意外，这颗原子弹可以在8月17日或18日在合适的气候条件下投掷。马歇尔告诉格罗夫斯，总统不希望再用原子弹进行轰炸。格罗夫斯尽管感到有些遗憾，还是奉命停止了原子弹的运输工作。
8月10日这一天，日本的各种调查团集中起来，对这个灾难事件的整个过程进行分析。在座的大多数人确信美国人投下的是原子弹，不过还有人不相信。1位海军学校的教练员说，美国人用的是另一种类型的炸弹，这种炸弹含有液态空气。仁科发言时，首先叙述了日本在原子弹研究上的发展情况，然后强调自己亲自参加过这项工作，并确认这就是原子弹造成的后果。
为了避免平民的伤亡，一些科学家不断呼吁日本政府放弃军国主义政策，选择和平的道路。在轰炸长崎前，美国科学家阿尔瓦雷斯和莫里森等人写了一封信，敦促日本结束战争。信被抄写了3份，牢牢地系在3个测量仪表上，随同仪表被投到长崎。信是写给坂田教授的，战前坂田曾在伯克利辐射试验室工作，是日本著名的核物理专家。信的主要内容如下：
我们将这封信交给您，恳请您利用您的威望让贵国参谋本部认识到，如果仍将战争继续下去的话，会有多么可怕的后果降临到普通民众的头上。相信您应该很清楚，一旦掌握了这种技术，造出更多的原子弹是很容易的事。美国已经建成了各种必需的工厂，生产了大量的原子弹材料。这些工厂的产品一旦在日本上空爆炸，会造成难以意料的后果。仅仅三个星期的时间，我们就在美国沙漠上进行了一次原子弹试爆，在广岛投下了第二颗，今天，又将投下第三颗。
我们恳请您用上述事实向您的领导人说明利害，并尽力让那些领导人不要再继续破坏和杀伤人命。这场战争如果继续下去，唯一的结果就是贵国多数城市的彻底毁灭。作为科学家，辉煌的科学发现被这样利用，我们感到非常痛心。不过，我们可以明确告诉您，如果贵国不投降，那么原子弹必将会像雨点般落在贵国美丽的土地上。
“胖子”在长崎爆炸后，这封信被交给日本海军侦察部，后来转到坂田教授手中。至于在促使日本投降中起到多大作用，不得而知。