8月8日子夜时分，美军下达了第2次核击日本的命令。为了完成这次任务，他们事先进行了大量的准备工作，精心设计了轰炸中的每一个细节，每一个目标都在图上标得清清楚楚。
在美军核击广岛的同时，苏联统帅斯大林向远东红军下达了消灭日本关东军的命令。8月9日0时刚过，苏联远东军157万人以迅雷不及掩耳之势突入中国东北，对日本关东军发动了全线攻击。当苏联红军跨过沙漠、草原，强渡额尔古纳河、阿穆尔河和乌苏里江突然出现在关东军面前时，不少日军官兵还在睡梦中就被打死了。
8月9日3时47分，装着原子弹“胖子”的“鲍克斯卡号”B-29轰炸机起飞，同行的还有2架观察机。“鲍克斯卡号”的驾驶员是查理士·斯威尼少校，轰炸员是克米特·比汉上尉，军械师是阿希沃思海军中校，电子测试员是菲利普·耶恩斯中尉。“鲍克斯卡号”的推进器比普通飞机要长一些，由4个桨片组成。飞机前部像个橘子，机身上印着“77”，据说这个数字很吉利。
起飞前，曼哈顿工程区司令格罗夫斯的助手法雷尔将军得到消息，天气将会变坏，但在格罗夫斯的催促下，他决定按原计划执行轰炸。旁边一位海军军官在起飞前问查理士·斯威尼：“少校先生，你知道这颗炸弹值多少钱吗？”斯威尼听说过一些原子弹的事情，他说：“听说有2000万美元，是真的吗？”那位海军军官点点头，不忘提醒一句：“当然是真的，就看你们了，别把这些钱白白扔了。”
这次轰炸第1目标是小仓，其次是长崎。为了尽可能轰炸第1目标，规定不管天气预报如何，轰炸机必须尽量靠近第1目标。如果第1目标不能进行目视轰炸，再飞往第2目标。负责摄影的飞机不能提前到达现场，以免引起日军的警觉。轰炸机经过硫磺岛前，必须事先和硫磺岛、提尼安岛基地联系，把情况核实清楚。到时如果不能确定目标，摄影飞机就必须把2个目标都拍摄下来。
载着“胖子”的“鲍克斯卡号”轰炸机起飞的时候，出现了一个严重的问题：1个燃油泵发生故障，不能把炸弹仓油箱中的3600升汽油输到发动机里，这意味着飞机可能会面临缺乏燃油的危险，而且还必须在往返途中带着这3600升汽油。然而，命令已经下达，时间紧迫，来不及调换飞机，更没时间抢修。斯威尼粗略估计了一下航程，认为燃油基本够用，决定继续飞行。这样，昂贵的“胖子”就只能坐着故障飞机出发了。
为了节省燃油，3架飞机不再经过硫磺岛，而是直飞日本本土。这时候，斯威尼仍然不知道在预定的轰炸目标中哪个将是受难者。小仓和长崎的命运取决于城市上空的风，如果风能吹来一片浓云，这个城市就会幸运一些，否则等待他们的将是灭顶之灾。
9日9时9分，3架B-29轰炸机在九州以南的屋久岛上会合。按照计划，另外2架提前起飞的观测和照相飞机应该在那里等候与他会合，可他只遇到了其中1架。斯威尼在那里等了30分钟仍不见另外1架飞机的踪影，于是载着“胖子”的“鲍克斯卡号”轰炸机和另1架观测机只好向小仓飞去。到达小仓上空时，他们发现了厚厚的云层，轰炸员比汉瞪大眼睛也看不清下面的情况。
斯威尼驾驶着飞机不停地在上空盘旋，希望发现一个缝隙，把“胖子”扔下去。45分钟过去了，目标仍不能出现在视野中。当斯威尼决定再一次进入小仓上空搜寻目标时，接到无线电报务员报告：从截获的日本截击航空兵使用的频率看，可能会有战斗机升空拦截。机上一阵慌乱，斯威尼来不及与基地联系便调转机头向西南方向飞去，他决定轰炸长崎。离开小仓后，斯威尼命令向基地发报：“小仓上空无法投弹，改炸长崎。”
10时28分，载有“胖子”的“鲍克斯卡号”轰炸机抵达长崎上空。在轰炸员比汉看来，日本真是太小了，两个地方的天气竟没有多大差别，这里的上空也堆积着厚厚的云层。飞机仍然在上空不停地盘旋，一遍又一遍寻找目标。燃油越来越少了，再等下去，飞机将返不回基地。斯威尼对阿希沃思说：“咱们总不能把这个可恶的家伙带回家吧？”两人一致同意启用雷达搜索目标，指挥投弹。
长崎市位于中岛川和浦上川流域，海拔200米的丘陵地带把城市分成中岛川地区和浦上川地区。商业中心在中岛川地区，县政厅、市政厅和其他政府机构也集中在这里。浦上川地区位于南北走向的两条丘陵之间的开阔地带，从长崎湾西岸开始，向北断续排列有一大批工厂群及许多住宅和学校，属于较发达的市区。
10时58分，阿希沃思启动了雷达装置。正准备投弹时，轰炸员比汉高兴地大叫：“看到目标了！我看到目标了！”前方那厚厚的云层裂开一条缝隙，从缝隙中可以清晰地看到下面的情况。
其实，长崎居民已经从报纸上得知广岛被毁的消息，但并没有引起多少人的重视。3个小时前，长崎曾经拉响过1次空袭警报，但很快就解除了。人们依旧在忙着各自的事情，当“鲍克斯卡号”轰炸机飞临上空时，由于厚厚的云层遮掩，长崎并没有发现轰炸机，没有发出空袭警报。
11时2分，“胖子”脱离弹舱，闪动着可怕的灰黑色身影，从8500米的高空急速下坠。1分钟后，它在距地面约500米的高度爆炸。“胖子”没有落到预定地点，而是落在预定该目标以北2.4公里的地方，落在了2家大型的三菱兵工厂中间，把这2家生产军事物资的工厂炸得粉碎。该地属浦上川流域，四周是崎岖不平的山地，机上人员感到了明显的冲击波。
“胖子”爆炸的瞬间，据助理机务员弗拉上士后来回忆：“我先是看到一阵可怕的闪光，紧接着便涌起了球形的烟云。”座机中每个人都感受到了炸弹的震撼。斯威尼说：“我们在约13公里外，看见震波像池塘激起的水纹一样向我们冲来，震波有2次重重地打击着我们的飞机，飞机颠簸得非常厉害。”
失去联系的观察机，在大约160公里外看到了1条黑色的烟柱迅速上升，于是赶快飞了过来。然而，长崎上空的云层太厚了，根本拍不到1张清晰的照片。直到一星期后，才能进行清晰的观察。
返航途中，由于与提尼安基地失去了通信联系，加之燃油不足，斯威尼和博克决定飞到冲绳紧急着陆。当长崎的蘑菇烟云以惊人的速度从7000米升到14000米的高空时，斯威尼少校向提尼安岛的司令部发出报告：“空袭长崎成功，效果良好。”
然而，在两个半小时前，没有按时抵达预定集合点的霍普金斯违犯无线电静默规定，向提尼安发电询问：“斯威尼夭折了吗？”这个电文传到提尼安时，却变成了“斯威尼夭折了”。这种不可宽恕的断章取义使驻提尼安的美军司令部乱成了一锅粥。法雷尔准将和他的参谋部认为前方放弃了这次突袭任务，不知道究竟发生了什么，飞机是否正在返航？已将“胖子”丢在海里，还是带回了提尼安？直到法雷尔收到斯威尼的袭击报告后，他才从两个半小时的焦虑中解脱出来。