8月6日3时，“安诺拉·盖伊号”轰炸机升至1500米的高度。机组的新成员帕森斯上校来到蒂贝茨背后，拍拍他的肩膀：“开始吧。”
蒂贝茨点点头。
帕森斯带着助手杰普森上尉来到弹舱，他从口袋里摸出1张有11项检验项目的清单，让杰普森举着电筒，开始一项项进行检查，并安装原子弹上仅剩的几个关键部件。杰普森将工具一件件递给他。
这个时候（华盛顿时间8月5日13时）也是美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯将军预计收到“安诺拉·盖伊号”飞机起飞报告的时间。他一大早便来到办公室，处理完当天的事务，就焦急地等待消息。时针已经过了13点，仍然没有消息传来。
3时15分，帕森斯开始向“小男孩”中装填炸药，并连接了走爆管，接着又装上装甲钢板和尾板。不过，他留了一个至关重要的扩电路特意没有接上。为了保险，他准备将这一工作留到投掷时再做。
3时55分，美军2架护航机加入了“安诺拉·盖伊号”的行列，蒂贝茨成为V形编队的刀尖。到底要对两个目标城市中的哪一个投弹，谁也不知道，大家都很紧张。在飞过本州海岸时，天气情况很好。蒂贝茨冷静地把飞机拉平，向广岛方向飞去。这时，再次收到气象侦察机发来的预报：“广岛天气晴朗，上空能见度良好，小仓不良。”
5时（华盛顿时间5日15时），一直等不到核袭广岛消息的格罗夫斯决定找点事做，以减轻焦虑的心情。他告诉值班军官，说要去网球场，有消息随时通知，又让另一个军官带着电话机来到网球场，每15分钟和总部通一次电话。
6时30分，海军上尉杰普森在弹舱将炸弹起爆装置的最后一个电路接通了。所有准备工作全部完毕。杰普森通知了帕森斯，帕森斯通知了第五○九混合大队队长蒂贝茨。蒂贝茨通过话筒向大家宣布：“我们即将投掷世界上的第一颗原子弹了！”好几个人激动得喘不过气来，因为他们是第一次听到“原子弹”这个词。
7时（华盛顿时间5日17时），美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯回到办公室，值班军官告诉他陆军总参谋长马歇尔将军打来电话，询问任务执行情况，并关照说：“不要打扰格罗夫斯，他考虑的事情太多了，希望能早点得到消息。”
7时25分，先行的伊瑟利少校的气象侦察机发来消息，他的飞机在广岛上空巡航时，没有日本飞机拦截，高炮火力也很微弱。伊瑟利报告：“所有高度上云覆盖率低于十分之三。建议优先考虑。”领航员范柯克报告：“已经接近广岛。”接着，他又报告说临近目标。
蒂贝茨对着话筒通知大家：“下面是广岛，下面是广岛。”在薄云的空白处，他和帕森斯看到了一个城市的轮廓清晰地出现在视野内。
原子弹轰炸前的广岛
“同意将它作为目标吗？”蒂贝茨问。
“同意。”帕森斯干净利落地回答。
“各就各位，准备投弹。”蒂贝茨对着话筒宣布，“戴好护目镜。”
6日8时（华盛顿时间5日18时），美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯在夫人和女儿的陪伴下，来到海军俱乐部与陆军部长史汀生的助手乔治·哈里森共进晚餐。他对哈里森说：“前方还没有消息。”
8时13分30秒，投弹手费雷比开始控制飞机，他研究过目标照片上的每一个细节。现在，广岛市中心的那座T形相生桥向他瞄准器的十字线飞快地靠近。没错，就是钢筋结构的相生桥，高达1.5米左右的石栏柱共有几十根，看上去是非常非常坚固。
“对准了。”费雷比说。
“再校准一次。”蒂贝茨像是对费雷比，又像是对其他人说，“把护目镜拿在手里，准备投弹时使用。”
8时15分17秒，炸弹舱门自动打开。投弹手突然叫道：“投出去了！”
飞机由于重量一下子减轻了5吨，顿时晃晃悠悠地向高空升去。蒂贝茨赶紧让飞机做了60度的俯冲和150度的右拐弯。原子弹正在下坠，先是自由下落，随后弹头指向目标，稳稳地掉了下去。
43秒，8月6日8时15分43秒，一道耀眼的闪光将整个飞机照亮了。尽管飞机背对着原子弹，费雷比仍然感到有一束亮光穿过护目镜，像是要穿透他的眼睛，直向大脑刺来，简直难以忍受。他觉得眼睛热辣辣的，脑袋有些生疼。费雷比突然发出一声惊叫，全身缩进坐椅中，心脏怦怦直跳。
同一时刻，范柯克发现一道强光充满了四周，把整个座舱给淹没了。白中带绿的光像恐怖电影那样。刹那间，不仅是机舱，就连附近的云彩都变成白中带绿的颜色。
蒂贝茨也感受到了同样的情景，由于光线太强，他什么都看不见，包括面前的仪器，他连忙扔掉护目镜。机尾射手卡伦看见一团巨大的火球腾空而起，急速扩散，就像一颗星星突然裂开，迎面朝他们飞来。他连忙高声发出警告。
就在这时，巨大的冲击波夹杂着爆炸声，使飞机猛地向上一蹿。蒂贝茨觉得声音有点像高射炮的爆炸声，随即脱口而出：“高射炮！”然而，没有烟火升起。卡伦又叫道：“天哪，又来了！”又是一阵剧烈的震动，不过飞机没有出现任何异常。
气浪过后，飞机掉转头，掠过目标，开始观察。刚开始，机组人员看见下面的广岛出现了一个白色的亮点，有乒乓球那么大。转眼间，这个亮点变成了一个紫色的篮球，而且越来越大，越来越亮，一面上升，一面发出浓烟。紧接着，一道紫色的火柱从火球中冲出，迅速上升到1000米的高度，仍在继续上升。这根火柱升到2100米高的时候，远远看去，像是一颗彗星从外太空飞来，但是覆盖面积比彗星要大得多，似乎大半个天空都被盖住了。巨大的火柱穿过灰白的薄云升到高空，又像火箭一样，呼啸着，翻滚着，穿过一切阻挡它前进的东西。烟雾和火光混在一起，整个机组的人感到周围好像有风暴在狂啸。
巨大的火柱上升到3000米的时候，它的顶端形成了一团硕大的蘑菇云。这团蘑菇云比火柱更活跃，里面充满了烟和火的浓白色泡沫，发出嘶嘶的声音，上下翻滚着，犹如大海中的波涛。七八秒后，蘑菇云迅速向上飞升，一直升到24000米高的同温层，从远处望去就像一朵对着太阳盛开的荷花。只不过这个“荷花”外面呈奶油色，里面是玫瑰色，边缘向下弯曲着。
不到2分钟的时间，蒂贝茨和机组人员亲眼目睹了“小男孩”从落下到爆炸的整个过程。当他们飞离爆炸点最后一次观察时，仍能看到黄棕色的蘑菇云在翻滚，一浪高过一浪，一层叠过一层，动魄惊心。
“安诺拉·盖伊号”轰炸机渐渐飞离广岛。
卡伦对着录音机开始录音：“烟柱腾空而起。烟柱中心通红……到处起火……数不胜数……帕森斯上校之前谈到的那种蘑菇云出现了……”
负责检查轰炸效果的有2架飞机。1架叫“伟大艺师号”，载着年仅24岁的芝加哥大学物理学家哈罗德·阿格纽。他带着一套复杂的仪器，准备测试这次核爆炸的当量和范围。另1架编号为91，里面坐着圣母大学物理学家拉里·约翰斯顿博士。他带着快速实验照相机，准备用16毫米的彩色胶卷拍摄爆炸时的火球和烟云以及现场的破坏情况。尽管约翰斯顿博士知道这个事业是正义的，这颗炸弹拯救的人要比杀死的人多得多，但是他看到原子弹从天上落下和爆炸的情景后，感到深深的恐惧和愧疚。此后，那可怕的闪光和蘑菇云，在他的头脑中一直挥之不去。
8时16分刚过，东京日本广播协会的1名调控员发现连接广岛广播电台的电话线路中断了。几分钟后，东京铁路信号中心发往广岛的电报也被切断。不久，驻大阪的军事通信中央指挥部发现，与广岛的一切军事通信全部失灵。东京开始以为广岛变成了一座死城，但是11时20分，1个骑着自行车冲进广岛的同盟社记者通过一条地区电话线报告了目睹的情况。
8时45分（华盛顿时间5日18时45分），有人叫美军曼哈顿工程区司令格罗夫斯接电话，他拿起话筒。值班军官告诉他，“安诺拉·盖伊号”飞机已按计划起飞，但没有进一步的消息。按照计划，早就应该报告空袭结果了。格罗夫斯再回到办公室耐心等待，外面房间挤满了参谋人员，每个人都很紧张。格罗夫斯松了松领带，想营造一种轻松的气氛，但是没有收到任何效果。
13时15分（华盛顿时间23时15分），美军参谋总部打来电话，说马歇尔将军询问情况。格罗夫斯十分沮丧，他以为这次行动失败了。
13时30分（华盛顿时间23时30分），美军曼哈顿工程区军械主任帕森斯上校发来电报，格罗夫斯亲自把这条电报译出，电文是“结果明确，全面成功”。顿时，胜利的呼声响彻了整个办公室。马歇尔接到通知后，只说了一句：“非常感谢你们打来电话。”格罗夫斯悬着的心终于放了下来，在办公室的一张帆布床上很快安然入睡。
18时30分（华盛顿时间6日4时30分），格罗夫斯收到了发自提尼安的一份长电报。他和他的助手们一边喝着咖啡，一边欣赏这份捷报。电报说原子弹爆炸后，向空中翻滚的紫色云雾和火焰像个大蘑菇，至少有12000米高，和在新墨西哥州进行的试验相比，规模同样巨大而令人生畏。电报没有提到广岛的伤亡情况。
大约21时（华盛顿时间近7时），马歇尔来到格罗夫斯的办公室。时间不长，空军参谋长阿诺德将军和陆军部长史汀生的助手乔治·哈里森也来了。格罗夫斯身穿整洁的军装，胡须显然是刚刚修过，显得十分精神。他们开始轻松地讨论另一个问题，如何发布原子弹爆炸的新闻才能让日本感到恐怖，促使他们早日投降。他们一致认为，不给日本以喘息机会，格罗夫斯立即拟定了一份声明，由总统向外宣布。
21时45分（华盛顿时间7时45分），马歇尔和史汀生通了电话。史汀生同意打破封锁5年的原子弹消息，建议总统对格罗夫斯致以最热烈的祝贺。当天上午，马歇尔邀请格罗夫斯到战争部长办公室里办公。
坐在这个办公室里，格罗夫斯感到无尚荣耀，参谋们不断向他请示总统声明的措辞。对于这颗原子弹对日本人造成的伤害，格罗夫斯一点也不感到内疚，他心里想的只是复仇。他考虑最多的是在菲律宾战役和冲绳战役中伤亡的大量美军，而不是广岛的伤亡。然而，他也意识到，总统声明的措辞应当慎重。听取了各种不同的建议后，最后决定接受战争部长助理罗伯特·罗维特的劝告。
罗维特提醒格罗夫斯，空军以前曾经多次声称炸毁了柏林，但每次只能证明上次所说的是个谎言。格罗夫斯最后拟定的总统声明稿没有谈到广岛地面的伤亡情况，这些他们都不了解。重点描述原子弹本身的强大力量。