接下來是把彈芯裝入彈體。當時氣氛十分緊張，奧本海默又親臨現場。他叼著煙鬥在帳蓬外轉來轉去。
7月15日下午，奧本海默最後一次來到鐵塔上巡視。烏雲在天空飄蕩，預示著暴風雨即將來臨。他爬上塔頂，站在他從實驗裏創造出的寶貝旁邊。這件珍品其貌不揚，使人難以看出其中隱藏著如此精湛的技術奇跡。它看上去很像一具水雷，在表麵上布滿電線，把4枚雷管連接到X點火裝置上。奧本海默一人獨自站立在離地100英尺高的塔頂，在被風吹得嘩嘩作響的鐵皮屋頂下，傾聽著遠處的雷鳴，細心地檢查著這弟一顆原子彈。
由於天氣惡劣，奧本海默和格羅夫斯不得不一再推遲試爆。
當天午夜，奧本海默和格羅夫斯來到距爆心點10000碼的S.10000點代號為貝克爾的倒計時指揮中心，他們將在此處觀看試驗。當時曾有科學家竭力反時奧本海默親自在那樣近的距離觀看原子彈爆炸，但奧本海默還是去了。
淩晨4時，雨停了。奧本海默決定在5時30分試爆。
所有人員立即撤離鐵塔。
5時10分，在沙漠中各處設置的擴音器響起了報時員的聲音：“現在是零時差20分。”
已經開始倒計時。
奧本海默獨自一個人在坑道內外走進走出，顯得緊張與孤僻。有一位負責管理一個緊急按鈕的科學家看到奧本海默過份緊張，想開一個小小的玩笑讓他輕鬆一下，他說，“奧比，我想很可能在零時差5秒時，我把開關一拉，然後向大家宣布——先生們，試驗不成了，都回去休息吧！你看會這樣嗎？”奧本海默並沒有被他的詼諧逗樂，反而冷笑地回答說，“你神經沒有毛病吧！”
倒計時繼續進行。營地上的警報器拉響，人們都掩蔽到壕溝中。
“十……九……八……七……”報時員忽然想到原子彈爆炸可能產生像閃電一樣的效應，因而他手中的話筒有使他觸電的危險。因此，在計數報到差一秒鍾時，他扔下了話筒然後竭盡全力地高喊：“零！”
第一枚原子彈爆炸了。
有一位科學家這樣描寫當時的壯觀景象：
“此時，萬籟俱寂，忽然出現一片耀眼的強烈陽光——或者說是像太陽一樣的強光。這是一股熾熱的、無定形的白光，把沙漠邊際的小沙丘照得雪亮，仿佛要將它們全部熔化。幾秒鍾之內，光線的亮度沒有變化，然後開始減弱。……我眯著眼睛，想看個清楚，大約又過了10秒左右，火球開始膨脹，同時亮度減弱，這時看起來好像用石油燃起的一片大火，其形狀猶如一個大草莓。火球由地麵緩緩上升，下麵連著一個急劇旋轉著的、由塵土構成的長尾巴。……所有這一切都在一片寧靜中出現，直到幾分鍾之後，才傳來一聲巨響，我趕緊堵住自己的耳朵，但聲音仍然震耳欲聾。接著是一片隆隆的轟鳴，就像遠處有載重火車開過那樣。到現在我耳邊仿佛還能聽見這種響聲。”
在S.10000坑道內，人們可以看到由背向爆心的出口處閃進一股強烈的陽光，從而知道原子彈已經爆炸。幾分鍾之內仍然是一片寂靜，隨後傳來了雷鳴般的巨響。
奧本海默回憶道：“有幾個人笑了，有幾個人卻哭了，大多數人驚呆了，一聲不響。我心中浮上了古印度聖詩勃哈加瓦墓達中克裏希那試圖說服王子執行他使命的一句話：‘我成了死神，世界的毀滅者。’”
當奧本海默克走出坑道來觀看巨大的火球上升時，人們紛紛向他祝賀。班希裏奇充滿著成功的喜悅，他握住奧本海默的手說：“奧比，現在我們將永世被人詛咒了。”
費米自己設計了一個簡單的試驗。當他見到閃光之後而衝擊波到來之時，他撒下手中的紙片，由紙片被衝擊波帶走的距離，他估算出原子彈的威力——相當於2萬噸梯恩梯。
天快亮時，人們看到奧本海默從S.10000坑道回到營地。他茫然移步，完全像一個沉思中的陌生人。
這次試驗之後，許多科學家立即趕往提尼安島，把已運去的兩枚原子彈——綽號叫“小男孩”與“胖子”的部件最後裝配好。
現在杜魯門已確信他無需依靠蘇聯就可以單獨結束遠東的戰爭。他決定在蘇聯介入遠東前迅速用原子彈迫使日本投降。
8月6日淩晨，一架名為“伊諾拉·蓋伊”的B—29轟炸機離開太平洋上關島附近的提尼安島空軍基地，機上攜帶著一枚名為“小男孩”的鈾彈，向日本廣島飛去。9時左右出現在廣島上空。這座城市剛剛解除了空襲警報。人們對轟炸已習以為常此時防空監視哨連空襲警報都沒拉響。
9時14分（東京時間8時14分），托馬斯·弗比上校將原子彈投下。由於突然卸下了重載，飛機驟然向上升起。然後轉彎迅速飛離彈著點。
幾分鍾之後，一道耀眼的閃光照亮了機艙內部。緊接著在幾秒鍾後，飛機受到兩次衝擊波的劇烈震蕩。機組人員看到，一個巨大的火球上升並翻騰數分鍾之久，最後形成一團高達30000英尺的蘑菇雲。飛機迅速返航，而廣島則變成了人間地獄。
據廣島市當局估計，廣島居民在當場和事後死亡人數為200000人，約占該市白天人口總數的25—50％。廣島市中心區已夷為平地，有60000幢以上建築物被毀。在轟炸後不久，全市成為一片火海。
廣島所有的時鍾從此永遠停在8點15分。
很快，美國電台播送了有關這顆炸彈爆炸的新聞以及杜魯門即興發表的聲明：
“這是一顆原子彈，它利用了宇宙的基本能量。太陽從中吸取能量的那種力量已經釋放給那些把戰火燒到遠東的人。如果日本不立即投降，美國會繼續投下更多的這種炸彈。”
在洛斯阿拉莫斯，奧本海默在收到投彈成功的電報後，立即通知全實驗室人員在禮堂集合。有一位科學家回憶道：“他像一位獲獎者那樣走進了會場。當他穿過大廳走向講壇時，到處是歡呼聲如掌聲。他把雙手握在頭頂上搖晃著向大家致意。”
8月9日中午12時零1分，美國一架名為“布克的車子”的飛機將一枚與“三一”試驗場上試驗完全一樣的綽號為“胖子”的內爆式原子彈又投擲在日本長崎市區，造成10000餘人的死亡與殘廢。在原子彈爆炸12小時之後，長崎市仍然在陷於一片於火海之中，從200英裏以外的飛機上也清晰可見。
8月10日，日本致電美國同意接受無條件投降。
8月14日為日本投降日。洛斯阿拉莫斯實驗室舉行了熱烈的慶祝活動。全美國都衷心感謝洛斯阿拉莫斯在結束這場戰爭中的卓越貢獻。杜魯門總統在公開場合稱讚這個實驗室說：“他們所完成的事業是一項曆史上前所未有的大規模有組織的科學奇跡。這個奇跡是在戰爭的重任下實現的，而且一次成功。美國在這個史無前例的最大科學冒險事業中，投進了20億美元——我們最後勝利了！”
但是奧本海默等很快感到他們慶祝的隻是一場虛假的勝利。在洛斯阿拉莫斯工作的科學家們許多年來一直全神貫注於攻克技術難關，很少有時間思考他們行動的後果。當有關廣島災難的報道陸續披露後，他們發現自己所做的是如何可怕的一種罪孽。奧本海默本人也是首先對這項偉大的科學成就表示懷疑者之一。他曾經對一些記者說，他對“自己所完成的工作有點感到驚惶失措”，但他又補充說，“但科學家不能由於害怕人類可能利用他的發現做壞事而拒絕推動科學前進。”但他和那些戰後仍留在洛期阿拉莫斯的人一樣情緒沮喪。他寫們給格羅夫斯，明確地提出他認為洛斯阿拉莫斯不能再像目前這樣辦下去，特別是“實驗室的主任本人非常渴望知道何時能解除他目前的工作，因為他對此事極不勝任，而且隻是由於戰爭期間為效忠祖國而勉強接受了這一重任。”
10月16日，格羅夫斯代表陸軍授予洛斯阿拉莫斯感謝狀，奧本海默致答辭。他首先希望將來在洛斯阿拉莫斯的每個人都能以這份感謝狀而自豪，但他又說：
“如果原子彈被一個好戰的世界用於擴充它的軍備，或被準備發動戰爭的國家用於技術武裝自己，則屆時人類將要詛咒洛斯阿拉莫斯的名字與廣島事件。”