В понедельник, 6 августа 1945 года, в 1:37 по полуночи с Норт-Филд вылетели три самолета метеоразведки. В 2:45 поднялись «Enola Gay», «The Great Artiste» и «Necessary Evil». На борту «Энолы Гей» находилось 12 человек: 1 — й пилот и командир экипажа полковник Пол У. Тиббеттс (30 лет), 2-й пилот капитан Роберт А. Льюис (27 лет), штурман капитан Теодор Ван Керк (24 года), бомбардир майор Томас У. Феррби (26 лет), радист рядовой 1-го класса Ричард Нелсон (19 лет), бортмеханик мастер-сержант Уайетт Дьюзенберри (32 года), бортстрелок штаб-сержант Джордж Кейрон (25 лет), бортстрелок штаб-сержант Роберт Р. Шамард (24 года), оператор радара штаб-сержант Джо Стиборик (30 лет), опера-тор аппаратуры постановки радиопомех 1-й лейтенант Джекоб Безер (24 года), специалист по атомной бомбе 2-й лейтенант Моррис Джеппсон (23 года) и специалист по атомной бомбе капитан Уильям С. Парсонс (44 года).
В 6:07 самолет «Энола Гей» пролетел над Иводзимой. Чтобы избежать возможного взрыва бомбы в случае аварии на взлете, было решено, что Джеппсон и Парсонс снарядят бомбу уже в полете. В воздухе оба офицера вошли в бомбовый отсек и заменили заглушки на боевой заряд. В 7:30 Парсонс доложил о том, что бомба готова к сбросу.
В 9:15 бомба «Малыш» вышла из бомбоотсека и по баллистической траектории пошла к земле. Часто говорят, что бомба имела парашют, но это не так. «Энола Гей» сделала резкий разворот на 155? вправо. Спустя 43 секунды над мостом Аиои в Хиросиме на высоте 1850 футов (564 м) бомба взорвалась. В результате взрыва пострадало 129000 человек, в том число погибло на месте 78000 человек. Было разрушено 70000 строений, а 176000 человек осталось без крыши над головой. По оценкам такой же ущерб могли причинить 2000 бомбардировщиков В-29 с нормальными фугасными бомбами. Роберт Кейрон, хвостовой стрелок «Энолы Гей» подтвердил, что гриб дыма и огня был виден на удалении в 600 км. Все самолеты, участвовавшие в операции, вернулись на Тиниан через 15 часов после вылета.
Сбросив бомбу на Хиросиму, 20-я воздушная армия продолжила традиционные налеты. Уже 7 августа 131 В-29 вылетели на бомбардировку арсенала ВМФ в Тоёкаве. Одновременно 29 бомбардировщиков ставили мины у побережья. 8 августа 211 В-29 закидали зажигательными бомбами город Явату. В это же время 91 В-29 бомбили районы Фукуямы. Другие 60 В-29 бомбили авиационные заводы и арсеналы в Токио.
Вторую бомбу («Толстяка»), начиненную плутонием-239, запланировали на 11 августа 1945 года. Сбросить «Толстяка» Тиббеттс приказал майору Суинни. Так как самолет Суинни был оборудован измерительной аппаратурой, майор должен был лететь на самолете капитана Фрэда Бока («Bock's Car», 44-27297, «89»). Название самолета, буквально переводившееся как «машина Бока», представляло собой игру слов с «Boxcar» — «товарный вагон». Сам Бок должен был лететь на «The Great Artiste». По этой причине в некоторых источниках сообщается, что бомбу сбросил именно «The Great Artiste».
Вечером 7 августа было решено сбросить бомбу раньше. Сначала дату перенесли на 10 августа. Но выяснилось, что погода быстро ухудшается, поэтому срок снова перенесли, на этот раз на 9 августа.
Самолеты вылетели в 3:00 утра. В отличие от первого налета, дело пошло не так гладко. Вскоре отказал бензонасос; в результате 600 галлонов топлива в дополнительных баках внутри бомбового отсека повисли мертвым грузом. В районе береговой линии «Бокскар» должен был ожидать самолет-наблюдатель. Хотя ждать разрешалось не дольше 15 минут, в этот отрезок времени Суинни заметил какой-то В-29, который, как выяснилось позднее, летел с совсем иным заданием. Со всеми приключениями Суинни все же вышел в район Кокуры. Но город закрывала плотная облачность. Сделав три боевых захода, Суинни так и не решился сбросить бомбу, так как землю разглядеть не удалось. В этой ситуации командир экипажа решил атаковать запасную цель — расположенный в 150 км Нагасаки. «Толстяк» был мощнее «Малыша», но Нагасаки пострадал меньше, так как складки местности помешали распространению взрывной волны. Погибло «только» 35000 человек, а раненных по усредненным оценкам оказалось около 60000.
Возвращение экипажа Суинни также проходило драматически. В-29 на последних галлонах топлива дотянул до Окинавы. Диспетчер не вышел на связь. Лишь подав условный сигнал ракетами, Суинни обратил на себя внимание, показав, что самолет терпит аварию. Все же «Бокскар» благополучно приземлился, пополнил запасы топлива и еще до вечера вылетел на Тиниан. Вернувшись на базу, летчики узнали, что Советский Союз объявил Японии войну.