当原子弹成功试爆的消息传到波茨坦会议现场时，杜鲁门便坚定了以原子弹教训日本人的想法。当格罗夫斯把早已准备好的投掷命令送到波茨坦后，1945年7月25日，杜鲁门终于签署颁发了这一重要命令：
“卡尔·斯帕茨将军：
第25军特殊飞行大队必须在1945年8月3日后的第一个星期内作好投掷准备。一旦气候适于目视投弹，请立即在下列几处目标选择一处，投掷第一颗原子弹：广岛、小仓、新渴、长崎……”
为什么首选目标是广岛呢？美国决策者是这样分析的：首先，广岛地处日本本州岛东南沿海，是日本第8大城市。由于前些时候的战乱，该市已有12万人疏散到农村，市内仅有24.5万余人。它是日军第2军总司令部所在地，同时又是日本陆军的一个重要军运港口和日本海军护航舰队的集结地，这是美国人首选的重要依据。此外，这个城市还有2.5万军队，他们曾是侵略中国山东、河南两省的主力部队。而且，据查该地区已有20多天没有降水，房屋干燥；地形平坦开阔，且市中心建筑物密集，是理想的核爆试验、实地考察原子弹杀伤破坏作用的场所。再者，美军已查明这里没有战俘，不必担心伤害战争法规中所保护的第三国人员。
代号为“小男孩”的原子弹至于其他几个城市，以小仓兵工厂与京都较为注目。其中，小仓兵工厂是日本大型军火厂之一，那里有日本多种类型的武器和其他防御材料的制造厂。从地形上看，对该地区投弹军事意义极大，但政治影响不大。而京都作为日本故都，人口达100多万，也是著名工业城市。由于战时没有遭到轰炸，许多居民和工厂都迁到这里。这儿虽然是个不错的攻击目标，但国防部长史汀生却认为：京都作为历史名城，毁掉它必将引起不必要的仇恨，遗留下日后无法解决的纠纷与责任问题。至于长崎，则是第一枚原子弹投弹后才定下来的。
今天看来，美国人之所以要直接向日本投掷原子弹还与杜鲁门的战略决策息息相关：
一个是美国政府当时最关注的是战后东欧事态的发展。战争必胜当时几乎已成定局，是否使用原子弹已无关紧要。但美国是世界上唯一一家拥有原子弹这一事实本身，以及这种炸弹能够显示的无穷威力，足以对整个世界包括其盟国（前苏联和欧洲）产生巨大的威慑。一方面对树立战后美国的世界大国地位有利；另一方面，可以使战时的盟国、战后必然的对手——前苏联人能够接受美国制定的战后世界的计划，尤其是在美方与盟友之间有争议的问题上，能够将美国的意志强加给前苏联人，迫使他们接受美国提出的关于中欧和东欧的建议。
正是基于此点考虑，原子弹在杜鲁门总统的政治、外交底牌中占有重要地位。在召开“波茨坦会议”时，杜鲁门就是为了能够将原子弹的王牌带到会场，而将原定于7月1日的开幕日期拖了半个多月。直到7月17日，在美国第一次核试验完成后的第二天才开幕。罗伯特·奥本海默曾说：“我们受到不可思议的压力，一定要在三国首脑波茨坦会晤之前试验原子弹的填药。”很明显，原子弹的首次试验是存心赶在“三巨头”会晤之前进行的，以便对苏形成威慑。
而在投掷原子弹的具体时间安排上也是精心考虑的。
“曼哈顿工程”的参加者菲力普·莫里逊说：“我可以作证：8月10日对我们一直是个神秘的期限。我们必须不顾一切代价、冒任何风险，在这个日期之前将炸弹制成。”
一本在日本印行的《关于原子弹轰炸后果的白皮书》中这样指出：“对于不了解雅尔塔会议内情的科学家来说，8月10日的确是一个无法解释的神秘的期限，但对于美国政治领袖来说，他们明白这是前苏联向盟国保证的参战日期。”
虽然，西方国家曾多次破坏关于在欧洲开辟第二战场的保证，但他们并不怀疑前苏联会信守诺言于8月10日对日宣战。为此，美国一定得赶在8月10日之前采取行动！要制造一种假象：仿佛迫使日本投降的不是苏军的打击，而是美国的原子弹。另一方面，在此刻展示新武器的可怕威力，还可以使战后的世界对美国俯首听命。
一个是美军拟定的攻取日本的作战计划是这样的：1945年9月占领日本本土南部。1946年3月攻占东京。但鉴于日本顽抗的立场，盟军将不得不以高昂的代价征服日本，估计会损失100万美国人和50万英国人。而倘若首先使用原子弹，则情况将会大为改观。
另一个是美国已经把20多亿美元花在了原子弹的研制上，政府官员们认为无论如何做一次试验是十分必要的，既然要试验，与其投在无人知晓的荒漠之上，不如扔在敌人的头上，以雪珍珠港之耻。
从以上这几个观点出发，原子弹的使用首先能够使美国达到长远的政治目的，又能取得军事上的直接优势，同时也获得了原子弹实战使用的效果，一举多得。
正因为形势的需要，使得杜鲁门终于把罗斯福一直犹豫不决的事情敲定了下来。不过此时的杜鲁门似乎还良心发现，在他授意之下，从1945年7月27日～8月1日，美国每天都出动飞机在日本各大城市上空散发《波茨坦公告》和其他传单。传单上这样警告说，如果日本还不接受《波茨坦公告》的全部内容，它们将会受到更猛烈的空中轰炸。而且，每次传单散发后1小时，随之而来的便是一次普通炸弹的猛烈轰炸。对于这一种先抚后杀的手法，顽固的日本政府一点也不担心。
终于，到了8月2日，执行轰炸任务的特殊大队机群进行了最后演习。
8月2日，大队接到命令，派出7架B-29飞机轰炸广岛。其中一架飞机运载原子弹，由大队长蒂贝茨亲自驾驶，另两架飞机担任观测，3架飞机担任气象侦察。此外，还有一架飞机作为预备队，留在硫磺岛机场，随时准备替换发生故障的飞机。在轰炸以后，还指定有两架飞机进行效果检查。第20航空队负责担任援救任务。
8月5日下午2时，用蒂贝茨母亲的名字命名、代号为“埃诺拉·盖伊”的B-29飞机装载了原子弹，弹身上满是用铅笔写的给日本天皇的信。这天晚上，飞行员们吃惊地从蒂贝茨那里获悉，他们要执行的具体任务是扔一颗破坏力相当于2万吨4.4炸药的特殊炸弹。
5日傍晚，最后的检查工作已经全部完毕，原子弹安然无恙，飞机随时可以起飞。
起飞前，机组人员每人领到一副电焊工用的护目镜，以便在炸弹爆炸产生强烈闪光时护住眼睛，接下来进行祈祷仪式，机组人员都把头低下来，由年仅27岁的德教牧师威廉·唐尼进行祈祷：“……上帝啊，我们向您祷告，愿战争早日结束，和平早日重临人间。上帝保佑今晚飞行的飞行员安全无恙返回……”这是所有准备工作的最后一项。
8月6日，起飞基地提尼安岛时间1时17分，3架气象飞机首先起飞。2时45分，装载原子弹的飞机机组共12人也上了飞机。
“起飞”命令下达后，装载原子弹的飞机冲向跑道，加速前进。但是，由于飞机太重，上面除了装有5吨重的原子弹以外，还有2650升汽油。飞机以每秒80米的速度全速滑行，可是飞机仍起飞不了。已经看到跑道尽头了，蒂贝茨万分焦急，身上浸出汗水。在这千钧一发之际，他用尽全力把驾驶杆一拉，机头终于抬起来了，紧接着其他飞机也跟着依次起飞。载着原子弹的飞机和观测飞机起飞后，在硫磺岛上空集合，然后爬到航行高度。按原先规定，如果广岛、小仓和长崎这3个城市都被云遮蔽，不便目视，可以把原子弹带回。据气象机构报告，当时广岛上空云量极少，完全可以目视轰炸，因此决定轰炸广岛。机上工程人员把原子弹各部件进行最后装配、检查。观测飞机用降落伞投下测量仪器，进行最后测量。
3架美国B-29型空中堡垒巨型轰炸机，迎着夏季的海风从太平洋上的提尼安岛缓缓起飞，向着距离有3200千米的目标日本本土飞去。其中一架飞机的名字叫做“依诺拉·盖依”，就是在这架轰炸机中，正“熟睡”着一名即将闻名世界的原子弹“小男孩”。几个小时后，这颗前所未闻的炸弹，就要随着它的落地而向人们宣布，一个新的时代——原子时代的到来。
“小男孩”原子弹，全身黑色着装，外表看去酷似大海里的鲸鱼。这颗原子弹制造精巧，工艺细致、考究。“小男孩”身高3.05米，体重4.09吨，腰围直径0.711米。原子弹“小男孩”肚内装有60千克核原料铀-235，爆炸当量约2万吨。
位于日本本州岛东南沿海的城市广岛，人口有30多万，虽然太平洋战争爆发后，日美交战，但人口并未减少，只是到了战争后期，日本节节败退，为了减少美国空袭带来的损失，才从城中疏散走12万人，全城现仍有居民24万人左右。尽管广岛是日军第二军总司令部驻地，又是一个军港，在军事上有重要意义，但奇怪的是，这一军事重镇自开战以来，仍未受到战火损伤，美军轰炸机很少光顾这个城市。几天前，美国飞机破天荒首次飞临这里，警报响起，男女老少一齐疏散，往防空洞中跑去，然而飞机临空，却只撒了一些传单，便很快飞走了。
飞机在闪烁的天空中迎来了黎明。“目标-广岛！”领航员重复着机长的命令。飞机上升到近万米的高度，天空万里无云。不久，广岛便已在飞机下方出现。飞行员们望去，它如一个变形的手指头，南端码头直伸入美丽的濑户内海，海边小山绵延起伏。
这天，广岛天气晴朗，气候炎热。广岛时间7时9分，响起一阵警报，美军飞机数架飞入广岛上空，盘旋几周后又飞离而去，没有轰炸。8时整，广岛上空出现3架飞机，虽然这时已经发出了空袭警报，但广岛居民好像没听见似的。因为美军飞机不断对日本国土进行轰炸，人们已经习以为常了。美军气象飞机离去时才解除警报，现在又有飞机飞来，又拉警报，市民都疲惫了。因此，广岛市民很少有人进入防空壕进行隐蔽，他们有的正在工作，有的正在街上，有的还在翘首仰望飞机，指指划划。
机组人员都戴好了他们每人领到的电焊工用护目镜。他们已经发现了广岛的主要标志相生桥，它坐落在广岛市中心。
目标-广岛蒂贝茨打开了自动驾驶仪。投弹手菲莱少尉俯身把左眼贴在诺尔敦瞄准器上，相生桥进入瞄准器的十字线上。他打开自动投弹系统，启动了电子投弹器。
8时15分17秒，飞机骤然爬升，把大型黑色圆筒状的原子弹从大约1万米的高空投了下去。这时飞机急忙作了一个155度的大转弯，向下俯冲，使飞行高度下降300米。为了不使飞机遇到危险，设计者给原子弹带上了用尼龙做的降落伞，以延长原子弹在空中降落的时间，以使投弹飞机有足够的时间脱离现场。随即，另一架观测飞机舱门打开，3个包裹落下，变成了降落伞。吊在它下面的形状像灭火器一样的圆筒，是一架把爆炸数据发射回去的发报机。
广岛的天空和地面非常平静，看见那3个降落伞的人们以为是敌机中弹，飞行员跳伞逃生，大部分日本人在这时仍然十分自信。可是，天空中突然发出一道闪光，看见它的人无法说出它是什么颜色。就在这一刹那，广岛的时钟几乎全部都停止了，指针指在9时15分上。
原子弹在离地面600米的高空爆炸，形成一个巨大的火球，火球发出的热核裂变，使爆炸中心附近千米范围内瞬时腾起了浓烟大火。
戴着特别护目镜的机组人员看到一道紫白色闪光，随之而来的是震耳欲聋的大爆炸。顷刻之间，广岛上空有一团直径约4800米的深灰色烟云，烟云中心腾起一道白的烟柱，烟云在顶部形成蘑菇状，然后离开烟柱。而烟柱体顶部又形成蘑菇状。
“我的天哪！”副驾驶员罗伯特·刘易斯上尉说道：“我们干了些什么？”飞机剧烈地摇摆起来，使人头晕目眩。一股气浪向他们袭来，飞机被猛烈撞击了一下，然后被高高托起，像是愤怒的大海上卷起的一朵浪花。
“高射炮！”蒂贝茨大叫一声。他的判断力出了问题，以为飞机被高射炮击中了，气得直骂娘。可是飞机四周并没有出现烟雾，二次气浪再度袭来，飞机又摇晃起来。气浪过去之后，飞机摇摇摆摆地掠过目标开始观察。
蒂贝茨下令用明码发电报说，已经轰炸了第一个目标，目测效果良好。帕桑斯则用密码发了一个电报：
“结果干脆利落。各方面成功。目测结果大于‘三位一体’（靶场试验）。投弹后机内情况良好。正返回‘教皇统治区’（提尼安）……”
广岛成了一片火海。在爆炸中心500米之内，温度接近100万摄氏度，实际上把所有的东西都烧成灰烬。居住在爆炸中心方圆800米内的所有居民都被烧死。爆炸引起了巨大震波。震波又引起火灾。浓密的黑烟、碎石和蒸气迅速冲入天空，在高空形成一片“蘑菇云”，完全遮住了太阳。
驻守在广岛的日本第二军司令藤井在最初几分钟内就被烧死在城堡附近的司令部内。整个指挥系统失灵了。日军通信大楼的通信器材完全被破坏，无法使用。
在距爆炸中心16千米以外的地区，人们仍然感到炽热的气流。由于市民没有防御原子的知识，在原子弹爆炸后放射性污染还很严重的情况下，就到受炸地区行走，加之救护机构被摧毁，受伤人员没有得到及时救治，致使死亡率大增。
我国一位旅日侨胞在几十年前目睹了这一历史情景，他回忆说：
这天上午，我正在拉着黑红布窗帘的试验室做8光照相试验，忽见一道白光一闪，我一怔，以为电线保险丝发生事故，正待去查看，又听轰隆一声震耳欲聋的巨响，我本能地卧倒在地板上。过了一会，当我爬起一看，满屋尘土什么也看不清。走廊里传出日语的喊叫声。我在烟尘弥漫中摸着走出室外，钻进防空洞。从洞中再往外一看，原来晴天白日的天空，现在突然变成淡黄色。静下心来向四周一望，防空洞内不少人都受了伤，我这才发现自己的皮肤也在出血。我走出防空洞回住处敷药。一路上，房屋倒塌、颓垣断壁，许多地方起了大火，成群成群的人受伤，不少人倒在街头，惨不忍睹，衣服被烧焦，头发被烧光，皮肤被烧黑，无数人在瓦砾中呻吟。”
广岛上空的大气被强大的冲击波搅动着，迅急上升的原子云柱带上水蒸气在高空又凝结成雨点，夹杂着放射性污染了的尘埃一块块落下来，天空下起了小雨，雨点落在烧伤的皮肤上……曾是几十万人的熙熙攘攘、充满生命的城市，眼下却是满目疮痍的一片废墟。7万多人丧生，6万多人受伤，6万所房屋被破坏，12平方千米的土地被波及，所有人均无家可归。到处是浓烟，尸体遍布各处，建筑物在劈劈啪啪地燃烧，水管在任意冒水，没人救火，没人抢修，连急救车也无法出动……
广岛化为焦热火海，广岛被摧毁了！
与此同时，执行轰炸任务的美军3架飞机返回提尼安岛，受到一大群高级官员的迎接。其中有从关岛特意赶到的空军第20航空队司令斯帕茨将军。在驾驶员蒂贝茨走下飞机时，司令给他戴上了一枚杰出飞行十字奖章。后来，参加这次特殊任务的其他人员都由空军授予了勋章。
当原子弹在广岛爆炸后，为了避免惊慌，日本政府并没有让国民知道广岛被原子弹轰炸的真相。最初，连铃木首相也不相信报告中所说的一枚炸弹就导致了如此巨大的毁灭一事。由于政府封锁消息，因此，除了邻近地区了解一些情况外，日本全国并无多大的震动。8月7日，杜鲁门总统发表这样一个严正声明：“7月26日波茨坦发出的最后通牒旨在拯救日本民众免遭彻底的毁灭，但他们的领导人物迅速拒绝了这个最后通牒。如果他们现在还不接受我们的条件，他们的毁灭将从天而降。地球上从未出现过类似的毁灭。”但连这一消息也被日本政府封锁了。在东京的主和派——外相东乡建议接受美国人提出的上述条件，但其他人都表示反对，因为在他们看来，广岛上空爆炸的根本就不是什么大威力的原子弹，而是几百架飞机同时投弹的结果。这些主战派一致认为，日本目前还未到最后放下武器的时候，他们决心再在日本本土打一场大的决战。