Взлет, набор заданной высоты 10000 м, выход на цель осуществлялись по утвержденному плану-графику. Основные этапы полета отображались на планшете-макете. Радиообмен с носителем выполнялся по двум каналам КВ и УКВ с использованием кодированных радиообменных таблиц. Основные команды для надежного приема службой опытного поля дублировались. Погода была благоприятной, материальная часть самолетов работала безупречно, и в назначенное время самолету-носителю был разрешен холостой заход на цель с передачей тонально-модулированных сигналов для окончательной настройки аппарата автоматики поля. Настало время выполнения боевого захода. С КП опытного поля доложили о готовности. Боевой заход разрешен. По каналам КВ и УКВ связи до сброса передаются предварительные сигналы — за 60 с и 15 с и третий сигнал в момент сброса — в 9 ч 52 мин 38 с. На планшете, отображающем траекторию падения изделия, стали появляться световые отметки, подтверждающие срабатывание контролируемых цепей автоматики: подачу питания на каналы автоматики, снятие ступеней предохранения, взведение блока подрыва и выдачу барометрическими датчиками исполнительного сигнала на срабатывание. Это было первой информацией о нормальной работе изделия. Приход сейсмической волны, вызвавшей перемещение грунта под ногами, а затем громовой грохот снаружи помещения ЦКП окончательно подтвердил, что первое воздушное испытание атомной бомбы в СССР состоялось успешно. Бомба взорвалась на высоте 380 м над целью с мощностью 42 кт. Посадка самолета-носителя прошла благополучно. В докладе о выполнении задания Уржунцев К.И. сообщил об ощущениях, испытанных экипажем, при воздействии взрыва на самолет. Он также доложил, что при выполнении в полете рекомендаций ЦАГИ и генерального конструктора самолета (с переходом на ручное управление самолетом к моменту прихода ударной волны при полете без изменения курса и режима) затруднений в пилотировании самолета не ощущалось. Отказов в работе оборудования самолета от воздействия взрыва не было. Бомбометание в этом полете было выполнено штурманом-бомбардиром майором Давыдовым Борисом Дмитриевичем. В своих воспоминаниях об этом испытании он отмечает: «Метеорологические условия в этот день позволили мне своевременно увидеть мишень на полигоне, выполнять прицеливание и бомбометание с высокой точностью. Все оборудование, система передачи радиосигналов для включения наземной аппаратуры сработали без замечаний. После сброса и закрытия бомболюков экипаж приготовился к приходу светового излучения и ударной волны: отключили автопилот и перешли на ручное управление, зашторили кабину в самолете, подтянули привязные ремни, надели темные светозащитные очки, разгерметизировали кабины и перешли на питание чистым кислородом. Контроль за приближением момента взрыва осуществляли по секундомеру.
Вначале ощутили очень яркую вспышку, затем пришла первая сильная ударная волна, немного слабее — вторая и более слабая — третья. Стрелки аэродинамических приборов, высотомеров, указателей скорости стали вращаться. В самолете появилась пыль, хотя перед этим полетом проводилась тщательная уборка в кабинах с применением пылесоса. Визуально наблюдал за развитием облака — шлейф от взрыва быстро поднялся на высоту полета и стал образовываться и разрастаться «гриб». Цвета облака были самые разнообразные. Трудно передать то состояние, которое овладело мною после сброса. Весь мир, все окружающее вокруг воспринималось по-иному — как будто все это я увидел заново. По-видимому, это было потому, что многие дни все мысли и дела были сосредоточены на выполнении ответственного задания, которое заслонило все вокруг. После посадки зарулили на спецплощадку. Из самолета вышли с надетыми парашютами и кислородными масками — дышали чистым кислородом от парашютных кислородных баллончиков. Обследовали нас и самолет на радиационное заражение. Здесь же был оборудован обмывочный пункт, где мы обмылись и сменили одежду и после этого поехали в штаб для оформления донесений и отчетов». Его воспоминания ясны без комментариев.
По самолету-носителю было сделано заключение о том, что самолет Ту-4, дооборудованный по бомбардировочной установке и оснащенный системой обогрева бомбового отсека и комплексом добавочного специального оборудования, обеспечивает безопасную и безотказную эксплуатацию изделия РДС-3 и прицельное бомбометание им.
Все члены экипажа самолета-носителя Ту-4 и экипажа самолета-дублера Ту-4 были награждены орденами Советского Союза. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 8 декабря 1951 г. подполковник Уржунцев Константин Исаакович был награжден орденом Ленина, а майор Давыдов Борис Дмитриевич и капитан Усачев Константин Иванович, старший техник лейтенант Стебельков Альвиан Николаевич и старший техник лейтенант Блотов Леонид Андреевич — орденом Красного Знамени. Члены летных экипажей самолетов Ту-4, а также группа инженеров-испытателей, технического состава и служб обеспечения также были удостоены правительственных наград, в числе которых и я получил высшую награду — орден Ленина.