8時15分17秒，飛機驟然爬升，把大型黑色圓筒狀的原子彈從大約1萬米的高空投了下去。這時飛機急忙作了一個155度的大轉彎，向下俯衝，使飛行高度下降300米。為了不使飛機遇到危險，設計者給原子彈帶上了用尼龍做的降落傘，以延長原子彈在空中降落的時間，以使投彈飛機有足夠的時間脫離現場。隨即，另一架觀測飛機艙門打開，3個包裹落下，變成了降落傘。吊在它下麵的形狀像滅火器一樣的圓筒，是一架把爆炸數據發射回去的發報機。
廣島的天空和地麵非常平靜，看見那3個降落傘的人們以為是敵機中彈，飛行員跳傘逃生，大部分日本人在這時仍然十分自信。可是，天空中突然發出一道閃光，看見它的人無法說出它是什麼顏色。就在這一刹那，廣島的時鍾幾乎全部都停止了，指針指在9時15分上。
原子彈在離地麵600米的高空爆炸，形成一個巨大的火球，火球發出的熱核裂變，使爆炸中心附近千米範圍內瞬時騰起了濃煙大火。
戴著特別護目鏡的機組人員看到一道紫白色閃光，隨之而來的是震耳欲聾的大爆炸。頃刻之間，廣島上空有一團直徑約4800米的深灰色煙雲，煙雲中心騰起一道白的煙柱，煙雲在頂部形成蘑菇狀，然後離開煙柱。而煙柱體頂部又形成蘑菇狀。
“我的天哪！”副駕駛員羅伯特·劉易斯上尉說道：“我們幹了些什麼？”飛機劇烈地搖擺起來，使人頭暈目眩。一股氣浪向他們襲來，飛機被猛烈撞擊了一下，然後被高高托起，像是憤怒的大海上卷起的一朵浪花。
“高射炮！”蒂貝茨大叫一聲。他的判斷力出了問題，以為飛機被高射炮擊中了，氣得直罵娘。可是飛機四周並沒有出現煙霧，二次氣浪再度襲來，飛機又搖晃起來。氣浪過去之後，飛機搖搖擺擺地掠過目標開始觀察。
蒂貝茨下令用明碼發電報說，已經轟炸了第一個目標，目測效果良好。帕桑斯則用密碼發了一個電報：
“結果幹脆利落。各方麵成功。目測結果大於‘三位一體’（靶場試驗）。投彈後機內情況良好。正返回‘教皇統治區’（提尼安）……”
廣島成了一片火海。在爆炸中心500米之內，溫度接近100萬攝氏度，實際上把所有的東西都燒成灰燼。居住在爆炸中心方圓800米內的所有居民都被燒死。爆炸引起了巨大震波。震波又引起火災。濃密的黑煙、碎石和蒸氣迅速衝入天空，在高空形成一片“蘑菇雲”，完全遮住了太陽。
駐守在廣島的日本第二軍司令藤井在最初幾分鍾內就被燒死在城堡附近的司令部內。整個指揮係統失靈了。日軍通信大樓的通信器材完全被破壞，無法使用。
在距爆炸中心16千米以外的地區，人們仍然感到熾熱的氣流。由於市民沒有防禦原子的知識，在原子彈爆炸後放射性汙染還很嚴重的情況下，就到受炸地區行走，加之救護機構被摧毀，受傷人員沒有得到及時救治，致使死亡率大增。
我國一位旅日僑胞在幾十年前目睹了這一曆史情景，他回憶說：
這天上午，我正在拉著黑紅布窗簾的試驗室做8光照相試驗，忽見一道白光一閃，我一怔，以為電線保險絲發生事故，正待去查看，又聽轟隆一聲震耳欲聾的巨響，我本能地臥倒在地板上。過了一會，當我爬起一看，滿屋塵土什麼也看不清。走廊裏傳出日語的喊叫聲。我在煙塵彌漫中摸著走出室外，鑽進防空洞。從洞中再往外一看，原來晴天白日的天空，現在突然變成淡黃色。靜下心來向四周一望，防空洞內不少人都受了傷，我這才發現自己的皮膚也在出血。我走出防空洞回住處敷藥。一路上，房屋倒塌、頹垣斷壁，許多地方起了大火，成群成群的人受傷，不少人倒在街頭，慘不忍睹，衣服被燒焦，頭發被燒光，皮膚被燒黑，無數人在瓦礫中呻吟。”
廣島上空的大氣被強大的衝擊波攪動著，迅急上升的原子雲柱帶上水蒸氣在高空又凝結成雨點，夾雜著放射性汙染了的塵埃一塊塊落下來，天空下起了小雨，雨點落在燒傷的皮膚上……曾是幾十萬人的熙熙攘攘、充滿生命的城市，眼下卻是滿目瘡痍的一片廢墟。7萬多人喪生，6萬多人受傷，6萬所房屋被破壞，12平方千米的土地被波及，所有人均無家可歸。到處是濃煙，屍體遍布各處，建築物在劈劈啪啪地燃燒，水管在任意冒水，沒人救火，沒人搶修，連急救車也無法出動……
廣島化為焦熱火海，廣島被摧毀了！
與此同時，執行轟炸任務的美軍3架飛機返回提尼安島，受到一大群高級官員的迎接。其中有從關島特意趕到的空軍第20航空隊司令斯帕茨將軍。在駕駛員蒂貝茨走下飛機時，司令給他戴上了一枚傑出飛行十字獎章。後來，參加這次特殊任務的其他人員都由空軍授予了勳章。