根據當時情況美軍早8點整，3架B-29美機從高空進入廣島上空。當時由有很多廣島市民並未進入防空洞，而是在仰望美機。在之前B-29已連續數天飛臨日本領空進行訓練，但這一次的3架飛機中，有一架已經裝上了一顆5噸重的原子彈奉命來轟炸。

9點14分17秒，一架裝載著原子彈的B-29上的視準儀對準了廣島一座橋的正中時，自動投彈裝置被啟動了。60秒鐘後，原子彈從開啟的艙門落入空中。這時飛機作了一個155°的轉彎，俯衝下來。一瞬間，飛行高度下降了300多米。這樣做是為了儘量遠離爆炸地點。45秒鐘後，原子彈在離地600米空中爆炸(具體地點為日本廣島相生橋以西100米的島病院上空600米處)，立即發出令人眼花目眩的強烈的白色閃光，廣島市中心上空隨即發生震耳欲聾的大爆炸。頃刻之間，城市突然捲起巨大的蘑菇狀煙雲，接著便豎起幾百根火柱，廣島市馬上淪為焦熱的火海。

1944年8月經過與日軍的苦戰、美軍佔領了位於馬里亞納群島附近的距離塞班島大約6km的-天寧島Tⅰnⅰan

、隨後美軍工兵在原有的日軍機場基礎上改擴建可以滿足B-29轟炸機起降的基地。

為攻擊日本本土做準備。轟炸日本本土的原子彈也是在以-“天寧島”為秘密基地進行最後的測試和組裝。（今天，天寧島、美軍組裝“原子彈”遺址）1945年8月6日搭載第一顆原子彈“小男孩”B-29轟炸機從天寧島基地起飛、向日本廣島投下永載史冊的功臣……原子彈。

任務順利完成後、B-29轟炸機組安全返回-天寧島基地。（功勳卓著的B-29轟炸機)

1945年8月9還是在天寧島基地美國盟軍B-29轟炸機再一次攜帶第二顆原子彈“胖子”起飛、向日本長崎扔了決定日本無條件投降的原子彈。

任務完成後和B-29轟炸機功勳機組安全返航降落到-天寧島基地。

天寧島以旅遊和博彩業聞名，島上人口不到3000人，地屬馬里亞納群島，風景秀美，如今是美國的海外領地，距離大名鼎鼎的塞班島僅6公里，有許多的二戰遺蹟，如“自殺涯”或“原子彈遺蹟”等等。

美軍在1944年7月24日發動了奪取天寧島的戰役，大批美軍陸戰隊在航母、戰艦的幫助下，由塞班島攻上天寧島，雙方爆發激烈的戰鬥。也正是在天寧島戰役中，美軍首次將凝固汽油彈投入戰場，幾乎將全島燒成白地。

島上日軍基本戰到最後一兵一卒，連第一航空艦隊司令官角田覺治中將都在戰鬥中拉響手雷，許多日軍官兵最後時刻都選擇了自殺，而最後一個士兵佐佐木抵抗到1953年才投降。

美軍在奪取這座島的時候就已經計劃好要在上面修築基地，因此島嶼一被拿下，他們就立馬開工修建了6條2400米的機場跑道和可供5萬人駐紮的營房，這項工程動用了15000只馬潤，為的就是給B-29轟炸機起降，直接轟炸日本，否則它們就得從成都機場起飛，跨越2000公里的距離和大量日佔區。

天寧島的美軍基地完成後，這裡成了轟炸日本的大本營，每天都有大批轟炸機起飛或轉場，對菲律賓和日本本土進行狂轟濫炸，讓日本瞬間就陷入了無間歇被轟炸的境地。包括後來李梅火燒東京的許多轟炸機都是從這裡起飛的。

值得一提的是，“美國之音”電臺也是在天寧島上建成的，它利用了日本的原通訊站。

當杜魯門批准對日投放原子彈的計劃後，美軍便在天寧島上進行了秘密部署和訓練，還設定了牢固的倉庫用以存放原子彈。而飛行員則安排進行模擬投彈訓練，這些“509小組”成員與其它美機一樣參與對日轟炸，但一次只丟一顆炸彈，完全是實戰演習。

之後美軍用幾艘軍艦將原子彈分段送到了島上，它們被暫時存放在島上隱蔽並組裝除錯。美軍直到轟炸任務之前才告知機組任務目標，並將原子彈運到跑道邊的水泥凹坑中待命。

B-29伊諾拉蓋伊號成為攜帶原子彈“小男孩”的載機，同行的還有幾架作為編隊的同型轟炸機，他們是保險的“副車”，也是“偵察兵”，同時幾架“超級空中堡壘”還能提供兇猛的無護航火力掩護。

之後地勤透過凹坑將原子彈裝上了伊諾拉蓋伊，伊諾拉蓋伊在8月6日凌晨2點40分開始起飛準備，它在8點16分送出了“小男孩”，並於下午14點58分降落在天寧島機場。

轟炸長崎的是B-29轟炸機“博克之車”號，他們的流程與“伊諾拉蓋伊”沒有什麼大的區別，8月9日凌晨3點39分“博克之車”起飛，10點58分投下原子彈“胖子”，不過由於之前找過第一目標小倉，博克之車燃料幾乎耗盡，中途不得不降落在沖繩基地補油，之後才飛回天寧島，耗時達到20個小時。

廣島與長崎原子彈爆炸發生在第二次世界大戰末期，美軍在1945年8月6日與8月9日，分別在日本的廣島市與長崎市投下原子彈（核彈），這也是歷史上人類第一次且唯一一次在戰爭中使用核武。

廣島與長崎原子彈爆炸後所產生的蕈狀雲

盟軍在空襲日本多個月後，準備進行沒落行動進攻日本本土。二戰歐洲戰場於1945年5月8日納粹德國投降後結束，但是太平洋戰爭仍在持續。美國、中國與英國在1945年7月26日發表《波茨坦公告》要求日本無條件投降，但是日本政府並未作迴應。美國考慮到如果登陸日本可能導致巨大的傷亡甚至導致蘇聯從北部登陸導致日本分裂。美國於是計劃使用曼哈頓計劃中成功製造的核武器，並分別於8月6日及9日在廣島與長崎投下小男孩原子彈及胖男孩原子彈。廣島約有90,000人—166,000人因核爆而死亡 ，長崎則有60,000人—80,000人死亡。

長崎遭受核彈轟炸後6天，也就是1945年8月15日，日本宣佈投降，並在1945年9月2日簽署《降伏文書》，象徵第二次世界大戰正式結束。影響所及導致日本政府於1967年宣佈非核三原則，表明不擁有、不生產、不引進核武器。

太平洋戰爭到了1945年仍在持續當中，美軍遭受到慘重的傷亡。從1944年6月至1945年6月間，大量美軍戰死。其中1944年12月達到最高峰，當月傷亡人數達到88,000人，尤其是在突出部之役中。

美軍在這期間參予了馬里亞納群島及帛琉戰事、菲律賓戰役與婆羅洲戰役，布干維爾島戰役及艾塔佩－韋瓦克戰役則一直持續到1945年8月份為止。盟軍在1945年4月展開沖繩島戰役，戰役是第二次世界大戰太平洋戰爭中傷亡人數最多的戰役，一直到6月份才結束。在這段期間，盟軍與日軍的死亡比率從菲律賓戰役的1比5上升到沖繩島戰役的1比2。

509混合部隊於1944年12月9日成立，1944年12月17日在猶他州溫多弗空軍基地（Wendover Air Force Base）正式運作，指揮官為保羅·蒂貝茨上校。蒂貝茨上校組織和指揮轟炸大隊，發展核子武器準備使用在德國與日本上。因為該組飛行中隊由轟炸機及運輸機組成，所以該組織被稱為“混合”單位，而不是“轟炸”單位。

蒂貝茨上校也參與新墨西哥州洛斯阿拉莫斯羅沙拉摩斯實驗室的曼哈頓計劃，他選擇在溫多弗建立訓練基地，並非堪薩斯州的大本德及愛達荷州的芒廷霍姆，主要因為它的位置相當偏僻[32]。1944年9月10日，一架B-29超級堡壘轟炸機從內布拉斯加州費爾蒙特空軍基地（Fairmont Army Air Base）的504轟炸小組抵達溫多弗的393轟炸中隊。當其部署在馬里亞納群島，在1944年11月上旬。該中隊被直接受到第二空軍管轄，直到509混合部隊成立為止。320部隊運輸機中隊因為其工作為高度機密，所以成為509混合部隊的一部分。509混合部隊需要運輸工具來移動人員及物資，所以成立一個綽號“大黃蜂線”的特殊單位。

美國陸軍參謀長喬治·馬歇爾上將，要求阿拉莫斯提名具體的轟炸目標，並由他本人和美國戰爭部長亨利·劉易斯·史汀生來批准。阿拉莫斯於是在1945年4月成立一個目標選定委員會，由他本人主持，成員包括他的副手托馬斯·法雷爾（Thomas Farrell）准將、約翰·A·德里上校、威廉·P·費希爾、喬伊斯·C·貝爾斯登與美國空軍大衛·M·丹尼森和曼哈頓計劃科學家約翰·馮·諾伊曼、羅伯特·威爾遜和威廉·C·彭尼（William Penney）等人組成。目標選定委員會於4月27日集合，並在5月10日於洛斯阿拉莫斯國家實驗室與科學家和技術人員討論。最後目標選定委員會在5月28日於華盛頓舉行，由保羅·蒂貝茨上校以及指揮官弗雷德裡克·L·阿什沃思（Frederick Lincoln "Dick" Ashworth）、曼哈頓計劃的科學顧問理查德·C·托爾曼（Richard C. Tolman）進行簡報。

1945年5月10日-11日間，目標委員會提出4個目標：

京都市：AA級目標

廣島市：AA級目標

橫濱市：A級目標

小倉市（今屬北九州市）：A級目標

1945年5月28日舉行的第3次目標選定委員會將目標加入新潟市。小倉是日本最大的軍火工廠之一、廣島是運輸港口和工業中心，也是主要軍事總部所在地、新潟是工業裝置的，擁有鋼鐵及鋁工廠與煉油廠、京都則是一個重要工業中心。目標的選擇應符合以下標準：

目標直徑超過3英里（4.8公里），是一個都會區的重要目標。

爆炸會造成有效的傷害。

目標直到1945年8月之前都未遭到空襲。“任何一個小型和嚴格的軍事目標應位於一個容易受到爆炸破壞的大區域，避免不必要的風險。

7月26日，盟軍領導人發表波茨坦宣言，提出日本投降條款。波茨坦宣言被視為最後通牒，並表示日本如果不肯投降，盟軍將進攻日本本土，造成“日本軍隊不可避免且徹底的毀滅，日本本土一樣無法避免遭到徹底破壞”。原子彈在公報中沒有提及。日本報紙在7月28日報導該宣告已遭到日本政府拒絕。首相鈴木貫太郎這天下午於新聞釋出會上宣佈，波茨坦宣言是老調重彈，與開羅宣言沒有兩樣，政府將故意忽視它[42]。日本和外國報紙認為該宣告明確拒絕接受波茨坦宣言。裕仁天皇正等待蘇聯對日本進行不表態的答覆，所以沒有采取任何行動來改變政府的立場。

根據1943年的魁北克協定，美國與英國同意核武器不會未經雙方同意就對其他國家使用。1945年6月英國聯合參謀團元帥亨利·梅特蘭·威爾遜，第一代威爾遜男爵同意美國對日本使用核武器[44]，並作為聯合政策委員會的正式記錄。美國總統杜魯門在波茨坦請求英國首相溫斯頓·丘吉爾代表英國同意美國向日本投下了原子彈。威廉·佩尼和倫納·德柴抵達天寧島，但是卻發現柯蒂斯·李梅少將不讓他們陪同。他們只能傳送了一份措辭強烈的訊號給威爾遜。 天寧島以旅遊和博彩業聞名，島上人口不到3000人，地屬馬里亞納群島，風景秀美，如今是美國的海外領地，距離大名鼎鼎的塞班島僅6公里，有許多的二戰遺蹟，如“自殺涯”或“原子彈遺蹟”等等。

美軍在1944年7月24日發動了奪取天寧島的戰役，大批美軍陸戰隊在航母、戰艦的幫助下，由塞班島攻上天寧島，雙方爆發激烈的戰鬥。也正是在天寧島戰役中，美軍首次將凝固汽油彈投入戰場，幾乎將全島燒成白地。島上日軍基本戰到最後一兵一卒，連第一航空艦隊司令官角田覺治中將都在戰鬥中拉響手雷，許多日軍官兵最後時刻都選擇了自殺，而最後一個士兵佐佐木抵抗到1953年才投降。

天寧島的美軍基地完成後，這裡成了轟炸日本的大本營，每天都有大批轟炸機起飛或轉場，對菲律賓和日本本土進行狂轟濫炸，讓日本瞬間就陷入了無間歇被轟炸的境地。包括後來李梅火燒東京的許多轟炸機都是從這裡起飛的。

美軍用幾艘軍艦將原子彈分段送到了島上，它們被暫時存放在島上隱蔽並組裝除錯。美軍直到轟炸任務之前才告知機組任務目標，並將原子彈運到跑道邊的水泥凹坑中待命。

B-29伊諾拉蓋伊號成為攜帶原子彈“小男孩”的載機，同行的還有幾架作為編隊的同型轟炸機，他們是保險的“副車”，也是“偵察兵”，同時幾架“超級空中堡壘”還能提供兇猛的無護航火力掩護。之後地勤透過凹坑將原子彈裝上了伊諾拉蓋伊，伊諾拉蓋伊在8月6日凌晨2點40分開始起飛準備，它在8點16分送出了“小男孩”，並於下午14點58分降落在天寧島機場。

轟炸長崎的是B-29轟炸機“博克之車”號，他們的流程與“伊諾拉蓋伊”沒有什麼大的區別，8月9日凌晨3點39分“博克之車”起飛，10點58分投下原子彈“胖子”，不過由於之前找過第一目標小倉，博克之車燃料幾乎耗盡，中途不得不降落在沖繩基地補油，之後才飛回天寧島，耗時達到20個小時。