1945年8月9日上午9时40分（提尼安时间）/10时40分（日本时间），带有原子弹“胖子”的B-29轰炸机“博克之车”号（Bock's Car）飞到日本九州岛北部工业城市小仓上空。轰炸这座城市的日期原本定在8月11日，但气象预报部门说8月9日之后的五天之内，日本南部的天气都不会很好，因此李梅将军决定把轰炸日期提前至9日。

执行气象观测的“原子之上”号飞机曾报告说小仓上空天气良好，可以进行目视轰炸，但当“博克之车”号机长斯韦尼驾驶飞机飞到小仓上空时，却发现整个城市都被云层覆盖。这架飞机在小仓上空穿梭了三次，仍未找到缺口，最后向第二目标长崎飞去。此时这架飞机的一台燃料泵也发生故障，机尾的640加仑汽油抽不到引擎里去。根据计算，如果投弹之后要飞到冲绳岛的后备机场降落的话，只能在长崎上空作1次轰炸飞行，否则他们就会因耗尽燃料而在海上迫降。

“博克之车”号上拍摄到的长崎蘑菇云，距爆心约20公里

长崎上空的云层也很厚，云量达8/10，“博克之车”第一次通过时未能找到目视投弹目标。按照规定，机长斯韦尼在这种情况下应带弹返回，但他和负责组装原子弹的海军工程师阿什沃思商量之后，决定采用雷达轰炸。

“博克之车”在箕岛上空调头，僚机“伟大艺人”号紧随其后，两机从东北偏北方向进入长崎上空，向三菱重工长崎船厂方向飞去。投弹手比汉（Kermit Beahan）正准备换用雷达瞄准器，突然发现两块云团之间有个大缝隙，第二投弹点三菱重工长崎兵工厂清晰可见，于是立即通知斯韦尼进行目视轰炸。

云仙温泉气象站地面拍摄的长崎蘑菇云

提尼安时间11时58分，比汉瞄准了预定轰炸目标——三菱重工长崎船厂以北2.5公里的长崎市中心体育场跑道，扔下了原子弹。根据美国陆军测量部L902地图，爆心投影点在浦上天主教堂附近，松山町交叉点中心东南约90米，东经 129度1'56.4，北纬32度6'12.6的位置（即长崎和平公园原子弹爆心投影点纪念碑处）。当时长崎气温28.8度，气压1104毫巴，相对湿度71%，天气晴朗闷热。

原子弹“胖子”爆炸的准确高度有几种说法：1945年调查为490士25米，1966年为500士9米，1969年为504士10米。1976年综合分析的结论为503士10米，据说这是最可靠的数据。爆炸时间也有几种推断：长崎气象站的自动记录显示上午10点54分时气压有剧烈振动，事后查明这个记录器的时间不准确，后修正为11点05分。距长崎38公里的云仙温泉气象站于上午11点02分、距离70公里的佐贺气象站于上午11点07分也均记录有气压振动，最后确认长崎的爆炸时间为上午11点02分。

浦上地区集中了长崎2万名天主教徒中的1.5万，其中1万多人死于原子弹爆炸，长崎市民总计有19748人在爆炸一周内死亡， 1951年美日调查团统计的死亡人数在29570人到39214人之间。原爆时驻扎在长崎的军人包括第122混成旅团和第134高射炮团，约有9000人，只有约150人死亡。

长崎市内有1.2万名朝鲜劳工和侨民，原爆死亡人数约1500到2000人。这座城市中有600多名华侨，其中约200人遇难。长崎各工厂，包括军舰岛煤矿中的被绑架中国劳工，也有约400人遇难，其中40多人是被关在浦上监狱中被炸死的。长崎香烧岛战俘营内有480名爪哇战俘，还有少数英国和荷兰战俘，原子弹爆炸时分别在长崎造船厂、幸町机械厂和长崎船厂铸造厂内干活，60到80人在爆炸时死亡。

长崎市的36辆消防车中，7辆在原爆中全毁，2辆严重毁坏，64台消防泵中14台烧毁，长崎消防署的两个分队直至傍晚才在市政府一带建立了最后防火线，阻止火势蔓延。爆炸和火灾之后，长崎市区48950幢建筑物中有12900幢全毁，5509幢半毁，财产损失达4.8亿日元。

然后二战后小仓的市民得知自己曾幸免于难（小仓是比长崎优先等级更高的原子弹目标城市，因为那里有规模巨大的小仓兵工厂），纷纷额手相庆，然后修了座长崎原爆慰灵碑（图9）。日本自古以来最怕的是“怨灵”，就是死者因强烈的怨气无法进入轮回，时常出来作祟。对于死不瞑目者，比如菅原道真、平将门、早良亲王、崇德天皇这样的“四大怨灵”，尤其加以隆重祭祀，以祈求平安。包括二战时被抓到日本的中国劳工，生前尽管饱受虐待，但被虐待死后日本人也会给他们修慰灵碑，这种碑不是悔罪认罪的标志，而是“怨灵们请别来找我”的意思。小仓市给长崎原爆死者修慰灵碑，也有让那边的冤死鬼别过来作祟的意思在里头。