為確保萬無一失，美軍當局決定舉行一次“胖子”模擬彈空投演習。8月8日9點左右，斯韋尼少校駕駛“博克斯卡”號帶著一顆水泥重配彈“南瓜”，從提尼安島外海的2400米空中爬升到10000米高空。機上的投彈手模擬第二天投擲“胖子”的程序，把“南瓜”從彈艙裏彈了出去。“南瓜”按預定彈道落至600米高度，引信爆炸了。1個小時後，專家們一致評定，演習成功。美國當局決定按原計劃行動。
8月9日淩晨3時47分，“胖子”在熱帶暴雨中，伴著閃電劃破蒙蒙黑夜的亮光起飛了。飛機“博克斯卡”號的駕駛員是斯韋尼少校，轟炸員是克米特·K.比漢上尉，軍械師是阿希沃思海軍中校，電子測試軍官是菲利普·巴恩斯中尉。與這架飛機同時起飛的還有兩架觀察機。
這次轟炸目標隻指定了兩個，主要是小倉，其次是長崎。為了盡可能轟炸第一目標，規定不管天氣預報如何，轟炸機必須盡量靠近第一目標飛行，隻有在肯定第一目標沒有進行目視轟炸的可能以後，再飛往第二個目標。為了避免進行攝影的飛機提前到達現場，要求他們在飛過硫磺島以前，必須與硫磺島和提尼安兩地核對情況。如果由於情報不充分而產生懷疑，攝影飛機就必須把兩個目標都拍攝下來。
“胖子”所搭乘的飛機，在起飛的時候，發現了一個非常嚴重的問題。有一個燃料泵有毛病，使得大約有3636升的汽油不能從炸彈艙的油箱裏打到發動機裏去。這意味著，不僅飛機不得不在缺乏燃料供應的情況下起飛，而且還得在去日本作戰的往返途中背著這3636升汽油的包袱。此時既沒有時間調換飛機，又沒有時間進行搶修，身價2500萬美元的“胖子”隻能搭乘這麼一架飛機去完成他的使命了。為了節省汽油，3駕單獨飛行的飛機沒有經過硫磺島的上空，而是直奔日本。
9時09分，3架飛機在九州以南屋久島上空集合，其中有一架觀測飛機失去了聯係，於是載著原子彈的轟炸機和另一架觀察飛機向小倉飛去。他們飛抵小倉的時候，小倉的天氣變得很不好，目視轟炸是不可能的。飛機進入小倉上空三次，花去了約45分鍾，沒有發現目標處，於是他們便朝第二個目標長崎飛去。可以說因為天氣的原因，小倉躲過了一次劫難。
10點多鍾，飛機飛到長崎上空，發現這裏的天氣也不好，雲量很濃，目視轟炸的條件並不比小倉好。阿希沃恩和斯威內考慮到能見度很差，而汽油量又不足，於是決定采用雷達轟炸。在整個的轟炸飛行過程中幾乎都是用雷達操縱的。
10時58分，在即將準備用雷達指揮投彈的一瞬間，突然發現雲霧中出現了一個小孔隙，隨即改為目視轟炸。轟炸員比漢瞄準了山穀中的一條跑道投下了原子彈。但是，炸彈沒有投到原定的目標點，而是投在了該目標以北2．4公裏的地方，即浦上河流域，落在兩家大的三菱兵工廠之間，把兩家生產軍事物資的工廠炸個粉碎。
轟炸長崎的原子彈從8840米的高度投下，原子彈離開彈艙1分鍾後爆炸。一聲驚天動地的巨響，長崎的上空出現了一個五光十色、光芒四射的火球，隨後巨大的蘑菇煙雲衝天而起，整個長崎被吞沒了。由於爆炸點下麵的四周都是崎嶇不平的山穀，機上人員感到有5次明顯的衝擊波。長崎地處山穀，當天又沒有風，這次轟炸所受的破壞比廣島輕。遭受破壞最嚴重的地區約在南北長3.7公裏，東西寬3公裏的範圍之內。有一條鐵路沒有被炸毀，很快得到了其他城市的援助，損失比較小，約有3.5萬人死亡，6萬人受傷。
美國原子彈突襲廣島和長崎造成了巨大的毀傷。廣島市區80％的建築化為灰燼，傷亡總人數占全市總人口的53％。長崎市60％的建築物被摧毀，傷亡總人數占全市總人口的37％。戰後，日本對這次遭受原子彈的襲擊耿耿於懷，稱自己是原子彈的受害者，廣島、長崎為這場戰爭中不幸的城市。可是日本不應忘記，世界上還有更不幸的城市——南京，獸性大發的日本兵使這座無辜的城市血流成河，嗚咽揚子江為30萬白骨招魂。日本不應忘記，世界上還有更不幸的國家——中國，在日本發動的侵華戰爭中，2000多萬中國人被日軍殺害。