美军在试验原子弹的同时，曼哈顿工程区司令格罗夫斯将军指示他的得力助手弗曼：“你要把1个东西带到提尼安。”弗曼后来才知道，那个“东西”叫“不可代替物”，代号“Bronx”货物。“不可代替物”看起来像个大圆桶，高不超过0.6米，直径却有6米。桶上有金属把手，好像不是用来提的，因为没有人提得起来。“不可代替物”重达150千克，其中100千克是铅绝缘体，产生于洛斯阿拉莫斯试验基地。全副武装的士兵押送“不可代替物”来到试验基地附近的阿尔布克机场，立刻装上飞机。3架大型运输机组成编队，在几架战斗机的护航下，带着这个贵重的“货物”和许多技术人员、保卫人员腾空而起，小心翼翼地向美国西南部飞去，最后在旧金山的哈密尔顿机场降落。后来，人们才知道这个“不可代替物”就是原子弹“瘦子”。
“瘦子”被带到美国西海岸后，剩下的事情就是怎样把它带到提尼安空军基地。有两条途径可供选择：一是空中，一是海上。飞机空运是比较理想的，可以节省不少时间，这对于瞬息万变的战场来说太重要了。然而，“瘦子”耗费了无数人的心血，科学家们深知它的重要性，谁都不敢担保一定能够安然无恙地完成运送使命。这种事决不允许尝试后再作决定，万一飞机在机场起飞时出现事故，那么旧金山将会被夷为平地。飞到太平洋上空后，日本飞机会不会来捣乱？
既然空运风险太大，就只能选择海运了。从汉密尔顿机场西行23公里就是马雷岛海军造船厂。“印第安纳波利斯号”重型巡洋舰正停泊在那里，由于前段时间这艘巡洋舰在冲绳岛附近作战时，受到了日军“神风”特攻队的袭击，受了重创，一直在造船厂修理，它刚刚修好。格罗夫斯决定启用这艘重型巡洋舰执行运送原子弹的特殊使命。
格罗夫斯的请求发出后，很快得到了有关部门的批准。海军少将威廉·珀耐尔在旧金山办公室里紧急召见巡洋舰舰长麦克维：“你的舰艇需要运送一批特殊货物，起锚后务必全速驶向提尼安。在那里，将货物转交他人。如果途中舰艇遭到袭击沉没，就算只剩下一只救生艇，也要完成运送任务。切记，不惜一切代价保护货物的安全！另外，你和你的士兵们不必知道这货物到底是什么。”
麦克维表示坚决完成任务，但是心中充满疑惑。这个“不可代替物”到底是什么，现在还不是麦克维这样一位上校舰长知道的时候。曼哈顿工程区军械主任、海军上校狄克·帕森斯只留给麦克维一句话：“你所保护的东西，对于战争至关重要，它将提前结束这场战争。”
7月2日，美国陆军部长史汀生在前两周讨论的基础上给杜鲁门总统写了一份备忘录，全面探讨了政治解决日本问题的方法。备忘录认为，进攻日本本土的战争将会非常惨烈，远远超过对德战争。建议在进攻日本本土前发出警告，力争以最小的代价结束战争。由美苏英中四国对日本发出警告，要求日本无条件投降并允许盟军占领，并使日本彻底非军国主义化。只要不威胁战后和平，允许日本发展经济，还可以不取消天皇制。史汀生的备忘录为即将召开的波茨坦会议定了基调。
7月10日，进抵日本近海的美军航母特混舰队加入对日本本土的空袭。当天，美军舰载航空兵出动舰载机1220架次，重点空袭了日本北海道与本州之间的火车轮渡，彻底断绝了北海道向本州的煤炭供应。截至7月13日，美军舰载机共出动1820架次。
7月15日，原子弹的试验准备工作按部就班地进行。组装好的“瘦子”被安放在一个30米高的钢塔顶上，从接线盒到插在身上的引爆器，都用绝缘电线缠绕着，看起来像个怪物。奥本海默趴在钢塔顶上，做了最后一次检查。他心想，任务已经差不多快结束了。下来后，他激动的心情久久难以平静。预定的时刻就要到了，由于天气下着小雨，试验不得不推迟。每隔5分钟，奥本海默和格罗夫斯就走到掩蔽的指挥所外，焦急地等待着天气有所好转。
美军在试验原子弹的同时打算将其运到前线，将还处于试验阶段的原子弹直接运用于战场。这一天，负责原子弹运送任务的弗曼来到“印第安纳波利斯号”重巡洋舰上，它正停泊在旧金山猎人角海军基地。与他一起来的还有洛斯阿拉莫斯医院的外科主治医生诺兰，他是位放射学家。他们登舰后，贵重无比的铅桶被吊杆吊上了“印第安纳波利斯号”。弗曼和诺兰从左舷舱口看着铅桶被金属丝牢牢地固定在舰长室上方的甲板上。除了守卫人员，谁也不准靠近。临起锚时，麦克维舰长疑虑重重，他请来诺兰，想探听一个虚实。诺兰对“货物”的详情守口如瓶，他告诉这位好奇的舰长：“我是一名军医，我可以向你保证，这件特殊的货物对舰船和船员没有任何危险，其他无可奉告。”
麦克维满腹疑惑：“难道是细菌武器？我们还不至于用这种东西吧。”
诺兰不愿多说，赶紧离开了。
7月16日凌晨2时，雷电交加，暴雨突然而至。原子弹试验场上的所有科学家十分紧张，他们担心钢塔里的原子弹会意外爆炸。负责观测天气的哈伯德操纵着一台手提气象仪，不停地测着风向和风速。看着奥本海默焦急的神色，哈伯德安慰道：“4时的试验可能要取消了，但也不用推迟到明天，5时至6时之间天气会转好。”
3时15分，云层渐渐散开，天上还出现了几颗星星。经过商议，奥本海默、哈伯德等人一致决定将5时30分作为试验开始的零时。
激动人心的时刻真的要来了。
实验开始前30分钟，一直守卫原子弹的5名士兵，打开塔顶的大灯，离开了钢塔监视点，分乘吉普车返回掩蔽指挥所。
5时25分，1颗绿色信号弹划破苍穹，警笛开始鸣叫。格雷森事后回忆说，当时很紧张，因为他的小组负责准备和安装引爆器。如果引爆不成功，可能就是他们的失误造成的。
5时29分，预警火箭点燃了。格罗夫斯趴在布什和科南特之间，在最后的几秒里，他一直考虑读数到零时没有发生爆炸该怎么办。
29分45秒，点火的线路合拢。
起爆器在多个起爆点同时点燃，爆炸波使钚弹蕊结合，链式反应开始启动。极短的时间内，巨大的能量被释放出来。32公里范围内，强烈的闪光像几个正午的太阳那样耀眼。紧接着，一个巨大火球渐渐升起，它的颜色不断变化，先是金色、紫色、紫罗兰色、灰色，最后变成了蓝色。持续了十几秒钟，附近的每一座山峰、每一个山谷都被照亮了。随后，这个火球又变成了一个蘑菇云，缓缓升起，一直上升到3000多米才渐渐熄灭。此后，一个巨大的云团像风暴中的海浪，汹涌澎湃地上升着，一直升到10000多米的高空。主要爆炸发生后不久，云团中又发生2次附加爆炸。
爆炸发生半分钟后，暴风开始向人们和建筑物冲击而来，紧接着是强烈而可怕的声音。大地在颤抖，仿佛世界末日来临。对于原子弹威力的估计，贝特领导的理论部当初估算相当于2000吨TNT，但这个数字只有核物理专家拉比相信。此刻，这一爆炸远远超过了科学家最乐观的估计。
一个新的时代诞生了。
格罗夫斯保持着军人指挥官的冷静。一位科学家含泪向他报告：“爆炸把全部观察仪器和测量仪器损坏了。”
格罗夫斯微笑着安慰他：“没关系，既然仪器都承受不住，说明爆炸威力太大了。而这，正是我们所希望的。”他还对法雷尔将军说：“看来战争真的要结束了，这个家伙只要一两个，日本就会彻底完蛋。”
原子弹爆炸后，在地面形成了1个直径360多米的大坑，坑壁略向中心倾斜。坑的中心还有1个直径40米、深1.8米的浅坑。坑内物质是极细的粉状灰尘，坑外植物荡然无存。安装原子弹的钢塔消失得无影无踪。离钢塔450米远，原来有1根埋在混凝土中直径10厘米、长4.8米的钢管，爆炸发生后也没了踪影。
8时30分，负责运送原子弹的美军“印第安纳波利斯号”重巡洋舰离开旧金山驶往马里亚纳群岛的提尼安岛。“印第安纳波利斯号”以最快的速度，劈波斩浪，昂首前进。
16日11时，美国新墨西哥州的新闻报道开始涉及这次惊天大爆炸。出于保密，阿拉莫戈多基地的司令官通过美联社向外界发布了这样一份公报：
今天上午，阿拉莫戈多空军基地接到多次询问，一次大爆炸发生在空军基地。经调查，这是一所大型军火仓库发生的爆炸，该仓库位于基地中心较远处，里面有大量的烈性炸药和军火。爆炸没有引起任何人员伤亡，军火库外的财产没有受到太大损失。提请市民注意的是，由于爆炸中有毒气弹被引爆，导致大气中含有对人体有害的物质，这可能会影响到大气的质量。陆军当局认为，少数居民应该暂时迁移。
原子弹的爆炸令整个新墨西哥州骚动不安，一位妇女16日晚去新墨西哥州，凌晨5点时来到一个村庄，不停地敲一户居民的门。她惊慌失措地大叫：“太奇怪了，我刚才看见太阳升起来了，又立刻落下去了。”
据有关材料记载，爆炸发出的闪光在290公里远的地方就能看到，爆炸声在160公里的地方就能听到。爆炸震碎了200公里远的一些玻璃。爆炸形成的云团包含着高浓度的放射性物质，它们主要是地面扬起的灰尘和大量气化的铁，这些铁和空气的氧混合燃烧而造成了一些附加的爆炸。