Merkittävä osa tietämyksestämme ydinaseiden vaikutuksesta perustuu Hiroshiman ja Nagasakin pommitusten kokemuksiin. Sittemmin lisätietoa muun muassa fysikaalisista vaikutuksista on saatu lukuisista ydinkokeista, ja radioaktiivisen säteilyn vaikutuksista ihmisiin myös monipuolisista lääketieteellisistä ja teollisista käyttötilanteista ja tutkimuksista.
Aamulla kello 8.16 elokuun 6. päivänä vuonna 1945 Yhdysvallat pudotti Japaniin atomipommin, joka räjähti 550 metrin korkeudessa Hiroshiman keskustan yllä. Pommin teho oli 13 kilotonnia. Kolme päivää myöhemmin 9. elokuuta Yhdysvallat pudotti 21 kilotonnin pommin Nagasakiin.
Välittömästi räjähdysten jälkeen tulipallon lämpötila oli yli miljoona astetta, ja suurin tuho tapahtui kuumuuden ja painevaikutuksen seurauksena. Radioaktiivinen säteily täydensi tappavaa vaikutusta.
Punaisen Ristin Kansainvälinen komitea on julkaissut erinomaisen videon ydinaseen vaikutuksesta nykyaikaisessa kaupungissa.
Hiroshiman pommi tappoi välittömästi 75 000 ihmistä, ja kaupungista tuhoutui 90 prosenttia. Paineaalto aiheutti tuhoa kilometrien päässä episentrumista (räjähdyskohta maasta laskettuna), ja tulimyrskyt levisivät laajalle. Kattotiilet sulivat vielä 500 metrin päässä, ja kaikki palava materiaali – myös ihmiset – höyrystyivät ilmaan. Alle kahden kilometrin etäisyydellä suojattomina olleet saivat niin vakavia palovammoja, että kuolivat lähipäivinä ja viikkoina. Paineaalto kaatoi taloja vielä 3,5 kilometrin päässä, jolloin ihmisiä kuoli ja vammautui kaatuvien ja lentävien esineiden alle.
Räjähdyksessä syntynyt tulipallo oli niin kirkas, että jos sitä katsoi suoraan, se saattoi vaurioittaa verkkokalvoa pysyvästi ja aiheuttaa sokeuden.
Voimakas radioaktiivinen säteily aiheutti monille akuutin säteilysairauden. Tämän luonnetta ei tietenkään aluksi ymmärretty, mutta se tuli nopeasti tutuksi alueella henkiin jääneille. Radioaktiivinen säteily tuhosi erityisesti suoliston, ihon ja luuytimen nopeasti jakautuvia soluja. Seurauksena oli verinen hallitsematon ripuli, ihovauriot ja hiustenlähtö sekä luuydinvaurion seurauksena vähän hitaammin tulevat anemia ja valkosolukato ja siten vastustuskyvyn menetys infektioille. Säteilysairaus johtaa hoitamattomana nopeasti kuolemaan. Hiroshimassa alle kilometrin etäisyydellä katveessakin olleista räjähdyksessä henkiin jääneistä kuoli säteilysairauteen yli 90 prosenttia, ja 1,5 kilometrin etäisyydellä olleistakin yli puolet.
Säteily aiheutti myös vaikeita sikiövaurioita. Erityisesti raskausviikoilla 9–15, jolloin keskushermoston kehitys on aktiivisimmillaan, säteilyä saaneille kehittyi monenlaisia epämuodostumia, oppimisvaikeuksia ja kehitysvammaisuutta. Todennäköisesti tätä varhaisemmista raskauksista moni päättyi keskenmenoon, mutta tästä ei ole mitään tilastoja.
Kaiken kaikkiaan vuoden 1945 loppuun mennessä Hiroshiman asukkaista oli kuollut 140 000 ja Nagasakissa 87 000 ihmistä. Ylikuolleisuus näiden ihmisen joukossa on jatkunut tähän päivään saakka.
Tällaisessa inhimillisessä katastrofissa ei terveydenhuoltojärjestelmä voi tehdä mitään. Ydinhyökkäykseen ei voi mitenkään varautua. Hiroshimassa tuhoutui neljätoista sairaalarakennusta kuudestatoista. Lääkäreitä kuoli 270, kun heitä oli ollut 298. Hoitajista kuoli 1654, heitä oli ollut 1780. Nagasakissa pommi putosi aivan yliopistosairaalan viereen tappaen hetkessä noin 900 professoria, lääkäriä, hoitajaa ja potilasta.
Radioaktiivinen säteily lisää syöpäriskiä, ja henkiin jääneiden atomipommin uhrien – hibakushien – kohdalla lisääntynyt syöpäriski on jatkunut läpi elämän. Syövän kehittyminen kestää usein vuosikymmeniä. Syöpäriski on selkeästi yhteydessä saadun säteilyn määrään.
Ensimmäisenä yleistyivät erilaiset verisyövät ja kilpirauhassyöpä noin kymmenen vuotta pommitusten jälkeen. Todennäköisyys sairastua akuuttiin lymfaattiseen leukemiaan oli lähes kymmenkertainen muuhun väestöön verrattuna. Erityisesti lapsiin kohdistuneiden leukemioiden jälkeen yleistyivät rintasyöpä, suolistosyövät, keuhkosyöpä, maksasyöpä ja aivosyöpä parissakymmenessä vuodessa. Kokonaisuudessaan henkiin jääneiden hiroshimalaisten syöpäriskin on todettu olevan 10 prosenttia suurempi kuin muun väestön. Lähempänä episentrumia olleilla riski on lisääntynyt jopa 44 prosenttia.
Pommitukset aiheuttivat myös valtavasti erilaisia vammoja, erityisesti palovammoja. Niiden parantuessa monen iho arpeutui voimakkaasti, ja siihen muodostui kiristäviä ja koholla olevia keloideja, joita sitten yritettiin kirurgisesti korjata. Myös luunmurtumat ja aivovammat saattoivat suuresti heikentää eloon jääneiden toimintakykyä ja elämänlaatua.
Radioaktiivinen säteily voi lisäksi aiheuttaa muutoksia ihmisen perimässä. Hiroshiman ja Nagasakin uhrien myöhemmin syntyneillä jälkeläisillä ei kuitenkaan ole todettu tilastollisesti lisääntynyttä riskiä perinnöllisiin sairauksiin.
Psyykkiset jälkiseuraukset ovat olleet valtavat. Suurelle osalle eloonjääneistä kehittyi traumanjälkeinen stressihäiriö ja syyllisyys eloon jäämisestä. He olivat nähneet läheistensä kärsivän ja kuolevan kykenemättä auttamaan. Psyykkisten vaurioiden hoitoa ei mitenkään kyetty eikä oikein osattukaan hoitaa. Lisäksi Japanin sisällä hibakushiin suhtauduttiin syrjien. Osalla oli myös liikuntavammoja ja näkyviä arpia, ja pelko mahdollisista geneettisistä vaikutuksista tuleville sukupolville vaikeutti merkittävästi naimisiin pääsemistä.