В 2:47 9 августа 1945 года американский бомбардировщик B-29 под командованием майора Чарльза Суини, с атомной бомбой на борту, взлетел с острова Тиниан. В отличие от первой бомбардировки, вторая была сопряжена с многочисленными техническими неполадками. Еще до взлета была обнаружена поломка топливного насоса в одном из запасных баков с горючим. Несмотря на это, экипаж принял решение провести вылет, как запланировано.

К моменту прибытия к цели над городом Кокура наблюдалась примерно 70% облачность, что не позволяло произвести бомбометание при визуальном контакте с целью, предприняв три попытки захода на бомбометание, командир самолета принял решение использовать запасную цель. В 10:56 В-29 прибыл к Нагасаки, который, как выяснилось, также был закрыт облаками. Суини нехотя одобрил намного менее точный заход на цель по радару. В последний момент, однако, бомбардир-наводчик капитан Кермит Бихан в просвете между облаками заметил силуэт городского стадиона, ориентируясь на который, он произвел сброс атомной бомбы.

Взрыв произошел в 11:02 по местному времени на высоте около 500 метров. Мощность взрыва составила 21 килотонну. Хотя мощность атомного взрыва в Нагасаки была больше, чем в Хиросиме, разрушительный эффект оказался меньше. Этому способствовали несколько причин - наличие холмов в Нагасаки, а также то, что эпицентр взрыва находился над промзоной. В результате взрыва погибли по разным подсчетам от 60 до 80 тысяч человек. Всего же с учетом умерших от долгосрочных эффектов ядерного взрыва число жертв превысило 140 тысяч жизней.