Na manhã de 9 de Agosto de 1945, a tripulação do avião dos E.U.A. B-29 Superfortress, baptizado de Bockscar, pilotado pelo Major Charles W. Sweeney e carregando a bomba nuclear de nome de código Fat Man, deparou-se com o seu alvo principal, Kokura, obscurecido por nuvens. Após três vôos sobre a cidade e com baixo nível de combustível devido a problemas na sua transferência, o bombardeiro dirigiu-se para o alvo secundário, Nagasaki — a maior comunidade cristã do Japão. Cerca das 7h50min (fuso horário japonês) soou um alerta de raide aéreo em Nagasaki, mas o sinal de "tudo limpo" (all clear, em inglês) foi dado às 8h30min. Quando apenas dois B-29 foram avistados às 10h53min, os japoneses aparentemente assumiram que os aviões se encontravam em missão de reconhecimento, e nenhum outro alarme foi dado.
Alguns minutos depois, às 11h, o B-29 de observação, baptizado de The Great Artist (em português "O Grande Artista"), pilotado pelo Capitão Frederick C. Bock, largou instrumentação amarrada a três pára-quedas. Esta continha também mensagens para o Professor Ryokichi Sagane, um físico nuclear da Universidade de Tóquio que tinha estudado na Universidade da Califórnia com três dos cientistas responsáveis pelo bombardeamento atómico. Estas mensagens, encorajando Sagane a falar ao público acerca do perigo destas armas de destruição maçica, foram encontradas pelas autoridade militares, mas nunca entregues ao académico.
Um relato japonês do bombardeamento descreveu Nagasaki como "um cemitério sem uma única lápide de pé.". Às 11h02min, uma aberta de última hora nas nuvens sobre Nagasaki permitiu ao artilheiro do Bockscar, Capitão Kermit Beahan, ter contacto visual com o alvo. A arma Fat Man, contendo um núcleo de aproximadamente 6,4 kg de plutónio-239, foi largada sobre o vale industrial da cidade. Explodiu 469 metros acima do solo, a cerca de meio caminho entre a Mitsubishi Steel and Arms Works (a sul) e a Mitsubishi-Urakami Ordnance Works (a norte), os dois principais alvos na cidade. De acordo com a maior parte das estimativas, cerca de 40.000 dos 240.000 habitantes de Nagasaki foram mortos instantaneamente, e entre 25.000 a 60.000 ficaram feridos. No entanto, crê-se que o número total de habitantes mortos poderá ter atingido os 80.000, incluindo aqueles que morreram, nos meses posteriores, devido a envenenamento radiativo.
