Чтобы сделать эффект от применения бомбы максимальным, американцы на протяжении нескольких дней до бомбардировки направляли на Хиросиму одиночные самолеты. Те, изображая разведчиков, облетали город, не сбрасывая бомб, затем возвращались на базу. Японцы привыкли к виду тяжелых машин, безвредно висящих над их городом, а некоторые перестали прятаться от них в убежища.

6 августа, за час до бомбардировки, в намеченные районы впереди взлетевшего самолета-носителя Б-29 «Энола Гэй» вышли 3 разведчика погоды. На удалении 6-7 км от самолета-носителя следовал самолет с аппаратурой, регистрирующей параметры ядерного взрыва. В 70 км от самолета-носителя шёл бомбардировщик с целью фотографирования результатов взрыва.

Система ПВО Японии обнаружила бомбардировщики. Приблизительно в 8:00 оператор радиолокатора в Хиросиме определил, что число подлетающих самолетов очень мало - вероятно, не более трёх - и воздушная тревога была отменена. По обычному радио прозвучало предостережение для людей спуститься в убежища, если B-29 действительно появятся, но после рекогносцировки налёт не ожидался. Люди продолжали работу, не заходя в убежище, и разглядывали вражеские самолеты. Не оказали противодействия воздушному противнику японские истребители и зенитная артиллерия.

Когда бомбардировщики достигли центра города, один из них сбросил небольшой парашют, после чего самолеты улетели прочь. Немедленно после этого, в 8 часов 15 минут, раздался оглушительный взрыв, который, казалось, в одно мгновение разорвал небо и землю. Бомба взорвалась ослепительной вспышкой в небе, огромным мчащимся порывом воздуха и оглушительным грохотом, распространившимся за много миль от города; первые разрушения сопровождались звуками рушащихся домов, разрастающимися пожарами, гигантское облако пыли и дыма отбросило тень на город.

В течение нескольких часов после катастрофы в Хиросиме никто в Токио толком не знал, что там произошло. Самое первое официальное сообщение содержалось в телеграмме старшего гражданского чиновника округа Чугоку. В ней говорилось, что Хиросима была атакована «небольшим количеством самолетов», которые применили «совершенно новый тип бомбы». Утром 7 августа заместитель начальника Генерального штаба Шавабе получил донесение, одна фраза которого казалась совершенно непостижимой: «Город Хиросима в одно мгновенье был уничтожен полностью одной бомбой».

Сложно представить весь масштаб этой трагедии. Из 306545 жителей Хиросимы пострадало от взрыва 176987 человек. Погибло и пропало без вести 92 133 человека, тяжёлые ранения получили 9 428 человек и лёгкие ранения — 27 997 человек. Такие сведения были опубликованы в феврале 1946 г. штабом американской оккупационной армии в Японии.

Стремясь уменьшить свою ответственность, американцы, насколько возможно, занизили число жертв. Так, при подсчёте потерь не было учтено число убитых и раненых военнослужащих. Кроме того, надо иметь в виду, что многие и тяжело и легко раненные через несколько дней, месяцев или даже лет погибли от лучевой болезни. Поэтому в действительности число погибших, по-видимому, превышает 150 тыс. человек.

Различные здания в радиусе 2 километров от эпицентра взрыва были полностью разрушены, а в радиусе 12 километров подверглись более или менее значительным разрушениям. Люди погибали или получали сильные ожоги в пределах 8,6 километра, деревья и трава обуглились на расстоянии до 4 километров. В результате взрыва и последовавших вслед за ним пожаров было превращено в пепел до 9/10 всех домов города, которых насчитывалось 95 тысяч.

Точное число жертв, вероятно, никогда не будет установлено - считать было некому. От тех, кто был вблизи эпицентра, не осталось ничего – взрыв буквально испарил людей.