8月2日下午，美军第五○九混合大队队长蒂贝茨带着投弹手托马斯·费雷比少校来到关岛的空军第二十一轰炸机联队司令部，向司令官李梅将军报告。李梅把两人带到摆着地图的桌子前，俯视广岛的最新侦察照片，并问费雷比在哪儿投弹最好。费雷比指向了市中心的T形桥，它位于日本第二军团司令部西南。李梅表示同意。
15时，执行原子弹攻击的绝密命令“第13号特殊轰炸使命”出台。命令定于8月6日实施，广岛的市内工业区再次被确认为第一目标，第二目标是小仓兵工厂，第三目标是长崎。命令强调只能目视投弹，不能动用雷达，将出动7架B-29轰炸机，“安诺拉·盖伊号”负责投弹。其余6架中，1架预先飞往硫磺岛，随时代替“安诺拉·盖伊号”，2架为蒂贝茨护航至目标附近，1架负责摄像，另1架空中实验。届时投下3个分别带着仪器的降落伞录下爆炸后的数据，其余3架随航并前往各个目标测验气象情况。
8月3日，美军太平洋舰队的1架反潜艇侦察机在例行侦察时，无意间发现了海面上漂浮的长达数公里的油迹。飞行员马上向基地报告了情况。这就是被击沉的“印第安纳波利斯号”重巡洋舰留下的痕迹。美军“赫尔姆号”舰艇被派来营救船员，搜索死难者尸体。舰长霍林斯沃在他的《搜索报告》中记录了当时的惨象：“所有尸体状况非常糟糕，估计死后已有四五天了。有些尸体穿着救生衣或救生圈，有的只穿件短裤或粗布工装，大多数尸体一丝不挂。尸体已经肿胀腐烂，辨认不出脸部，大约有一半尸体被鲨鱼咬过，有的只剩下差不多一副骷髅。军舰所到之处，都有鲨鱼在周围活动，它们在争相撕咬尸体，有时我们不得不开枪把它们赶跑。大多数情况下，难以得到死者的指纹，他们手上的皮肤已经脱落，有的双手被鲨鱼咬烂了。在这种情况下，医务官只好从死者手上切下一块皮肤，脱水处理后，设法让它能够辨认。死者的所有个人财物都被取下来，以便用于辨别身份。尸体经过检查后，绑上三四发炮弹沉入海里。由于尸体太多，到天黑时还有很多未经处理。”
另外，还有1艘叫“弗伦奇号”的军舰也参与了搜索。它在2天内搜索到并检验了29具死尸，作出的报告也很单调，总是“尸体严重腐烂”“无法取得指纹”“被鲨鱼严重咬烂”。最后统计表明，1996名水手中获救幸存的只有316人，另外1680人长眠海底。
8月4日15时，美军第五○九混合大队队长蒂贝茨召集执行命令的7名机组人员开会，听取核武器专家、原子弹设计者之一狄克·帕森斯的讲话。帕森斯说：“你们将要投掷的炸弹是战争史上的新武器，它是迄今生产出的最具破坏力的武器。我们认为它会把半径5公里内的一切毁灭。”
话音刚落，听众中传来了一阵透不过气似的喘息。
接着，帕森斯对“曼哈顿工程”作了一些简单介绍，还放映了沙漠基地有关试验的影片。放映的画面效果不佳，帕森斯平静地根据他的记忆补充描绘了沙漠试爆。大家眩晕起来，就连知道此事的蒂贝茨也惊呆了。帕森斯又交代了一些戴防护镜等注意事项，他警告飞行员，任何情况下都不要穿过蘑菇云。之后是蒂贝茨向他的机组发表讲话。他告诫他的手下人，到时务必戴好护目镜，并宣布新的无线电呼号为“酒窝”。
8月5日15时30分，在第五○九混合大队装有空调的炸弹贮藏室里，重达5吨的原子弹“小男孩”被小心翼翼地放到链式吊车上，然后平稳地移落到一辆拖车上。“小男孩”的心脏正是“印第安纳波利斯号”巡洋舰日夜兼程、横渡重洋、以生命作代价运载而来的“不可替代物”。炸弹外壳上写着一些粉笔字，这是希望日本人以及裕仁倒霉、预祝蒂贝茨及其同伴成功的口号。
炸弹盖着防水帆布，在庄严的仪式下被送到0.8公里外的停机场，然后被放到一个弹坑里。负责运送的飞机被拖到它上面。这架飞机是蒂贝茨驾驶的“安诺拉·盖伊号”B-29轰炸机，是根据他母亲的名字起的，正式名称为“82号飞机”。一辆吊车把“小男孩”吊进飞机的前弹舱，用特制的缆绳将它固定。炸弹并没有完全装配好，帕森斯目睹了许多飞机起飞时失事的情况，他担心会出事，这就会使整个岛被炸掉，于是向法雷尔建议起飞后再装配。法雷尔连忙给华盛顿的格罗夫斯将军发去一份电报：“法官（帕森斯的代号）要求起飞后再装配。”格罗夫斯收到电报后，大吃一惊，但他远在万里之外，就算反对能有什么用呢？
8月6日0时15分，美军第五○九混合大队队长蒂贝茨带着手下来到随军牧师那里。牧师让他们低下头，为他们做了动人的祈祷。祈祷后，他们到食堂吃了登机前的凌晨加餐。然后，大家回到宿舍休息。激动的心情令他们难以入眠，有人提议玩扑克，以便消磨掉最后的几个小时。
1时37分，美军3架气象侦察机首先从北机场不同的跑道上同时起飞。23分钟后，“安诺拉·盖伊号”和2架护航机的机组人员乘车刚抵达起飞地点便被弧光灯、泛光灯、发电机、摄像机、摄影师、电影导演及到处乱窜的摄影记者围了个水泄不通。这是格罗夫斯将军计划中富于意义的环节之一，他要把起飞的历史场面记录下来。一些科学家对格罗夫斯的这种安排非常不满。
2时20分，最后一张合影拍完。每个人尽力掩饰内心的紧张和不安，露出满面笑容，装出一副轻松愉快的样子。蒂贝茨机组12个人一个接一个地爬上舷梯，钻进前舱门。就在这个时候，格罗夫斯的助手法雷尔将军发现帕森斯忘带了一件东西：“你的枪呢？”帕森斯于是从旁边一个人那儿借了一支手枪，插在腰带上，转身爬上飞机。除了每人必须带枪外，蒂贝茨飞行服的口袋里还预备着1只小金属盒，里面装有12粒氰化物胶囊。上司命令他们若遇不测，可以从“用手枪”或“用毒药”2种方式中选用1种方式自杀。
2时27分，北提尼安指挥塔向“安诺拉·盖伊号”发出滑行和起飞命令：“酒窝82，北提尼安指挥塔命令沿A跑道向东起飞。”
2时45分，蒂贝茨扭转头向副驾驶员罗伯特·刘易斯上尉：“出发！”
“安诺拉·盖伊号”轰炸机严重超载，其中包括32000升的汽油。飞机在洒了汽油的跑道上异常艰难地向前滑行。眼下滑行距离已经超过了跑道长度的三分之二，可是速度依然很慢。机组人员面面相觑。
“飞机太重了！”罗伯特叫道，“拉起来—快！”
蒂贝茨一声不响，他在让飞机继续滑行。眼见跑道将尽，大地快要消失了……就在眼前出现空旷海洋的一刹那，蒂贝茨的飞机拉了起来。
法雷尔将军在指挥塔上惊出了一身冷汗，心怦怦直跳：“我从未见过飞机需要这么长的跑道，我真以为蒂贝茨飞不起来了。”