Наконец, в качестве первой цели выбрали Хиросиму. Сбросить бомбу должен был самолет В-29-45-МО (44-8629, «82». «Enola Gay»). Энола Гей были первым и вторым именем матери полковника Тиббеттса. командира экипажа. Для сопровождения выделили две машины: «The Great Artiste» (44-27359. «89»), оснащенный измерительными приборами, и «Necessary Evil» (44-86291. «91») с фотоаппаратурой. Экипажем «The Great Artiste» командовал майор Чарльз Суини, а экипажем «Necessary Evil» – 1-й лейтенант Норман Рей. Еще три В-29 действовали во втором эшелоне, проводя метеорологическую разведку над целью. Это были самолеты «Straight Flush» (44- 27301. «85»). «Full House» (44-27298. «83») и «Jabbit III» (44-27303. «71»).
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 Ричарл Нелсон (19 лет), бортмеханик мастер-сержант Уайетт Дьюзенберри (32 года), бортстрелок штаб-сержант Джордж Ксйрон (25 лет), бортстрелок штаб-сержант Роберт Р. Шамард (24 года), оператор радара штаб- сержант Джо Стиборик (30 лет), оператор 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 перенести, на этот раз на 9 августа.