Изделие РДС-3, накануне проверенное, снаряженное и окончательно подготовленное к подвеске на самолет, было доставлено к самолету, подвешено, в изделие были введены уставки временного датчика и барометрических датчиков критической высоты с помощью приборов самолетного пульта управления. Фидер антенны РТС от хвостовой части изделия выведен под фюзеляж самолета и закреплен на специальной стойке. Командир экипажа и штурман совместно с представителем КБ-11 включили электрозамки изделия. Окончательная передача изделия экипажу была закреплена в журнале подписями командира корабля и штурмана. Командир корабля доложил начальнику 71-го полигона генерал-майору Комарову Г.О. и ответственному представителю КБ-11 о приемке изделия и готовности к выполнению задания. Получив разрешение, члены экипажа заняли свои места, и самолет-носитель Ту-4 с атомной бомбой вырулил на взлетную полосу. В 7 ч. 00 мин. по московскому времени с аэродрома Жана-Семей произведен первый взлет самолета-носителя Ту-4 с атомной бомбой на борту. Взлет выполнен безупречно. Вслед за ним взлетел самолет-дублер Ту-4 с инертной фугасной бомбой ФАБ-1500. В полете самолет-носитель с изделием на борту сопровождался и охранялся парами самолетов-истребителей Ла-11. Управление полетом самолета-носителя осуществлялось с ЦКП полигона УП-2, на котором находилось руководство испытаниями во главе с И.В. Курчатовым: Харитон Ю.Б., Зельдович Я.Б., Ванников Б.Л., Зернов П.М., Неделин М.И., Болятко В.А., а от ВВС – генерал Комаров Г.О. и инженер-майор Куликов С.М.
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. 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, 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 Б.Д. 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.