1939年10月，美国在罗斯福总统的指示下开始发展核武器。
当世界首枚原子弹制成后，由美巡洋舰「印第安娜波里斯号」，运往太平洋马里亚纳群岛的天宁岛，杜鲁门总统希望能于八月十日苏联未对日参战前，将它投落日本某一城市上空，于是在七月二十七日藉波茨坦宣言向日威胁：除非日本无条件投降，否则日本本土将遭到彻底的摧毁，这一广播可看作是对日的最后通牒。杜鲁门虽知原子弹八月四日已完成了投弹的准备，不过他对这个从未使用过的武器，始终有些疑虑。但国务卿贝尔纳斯与丘吉尔认为原子弹是唯一能迅速结束战争的手段，否则一旦苏联参战，日后亚洲问题必然更错综复杂。至于日人对波茨坦宣言的反应，各方的意见分歧，铃木首相在当天举行的记者会上声称他认为波茨坦宣言纯粹是开罗宣言的翻版，只是换汤不换药，日本政府不认为有何重大意义。
日本漠视此宣言，就等于拒绝了同盟国的招降。这时苏联外长莫洛托夫，催促美国发出敦请苏联参战的正式档，杜鲁门延迟至三十一日才将一分内容与措词暧昧的邀请函送出，并附上一份备忘录，表示要待斯大林和蒋公获得协议之后，再送上一分正式邀请函，其目的是想将发动对日参战之责，推在苏联身上。当时日本的主政者始终未能面对事实，仍然一厢情愿的认为只要苏联肯出面协助就可寻求和平，所以预料斯大林和莫洛托夫开完波茨坦会议后，问题即有妥善解决办法；故外相东乡急电驻莫斯科大使佐藤，要他立即与莫洛托夫会谈。
但这时原子弹已由美战略空军指挥官史巴兹上将下令完成投掷前的准备。命令内容是，第二十航空队第五○九混合大队，应于一九四五年八月三日后，视天气情况允许实施目视轰炸时，立即向下列诸目标之一（即广岛、小仓、新潟、长崎）投掷第一枚特种炸弹。实施时须搭载陆军军职与文职科学人员，观察并记录其爆炸效果，除载弹机外应另派随伴视察机若干架。
八月五日，这枚全长十呎，直径二十八吋的原子弹，装进一架B?9型轰炸机的弹舱。黄昏时海军兵工专家巴松士上校爬进机舱，在弹旁不断练习各项投掷前作业。是晚十时狄伯兹集合全机人员下达指示：今晚是我们期望已久的时候，几个月来所实施的各种训练，马上就要去创造历史，此次投掷的炸弹，威力相当于两万吨黄色炸药，投掷时战术亦有所不同。并说在出发之前，有三架测候机先行起飞，飞临三个预定目标上空，轰炸目标是视气候情况而定。
六日凌晨一时三十分钟测候机起飞后，几十具摄影机的闪光灯和记者围集在Enola Gay号B?9机的周围，出现热烈送别场面。狄伯兹和副驾驶路易斯上尉等都上了飞机。这时机上除载了一个九千磅重炸弹外，还有七千加仑汽油，机员十二人，总重达六十五吨，超出平常载重约八吨，故起飞时即使四具引擎开足八千八百匹的马力，还要冲至跑道的尽头，机速到了一百八十哩时才飞得起来。
这次出击一共动用六架B?9同型机，除三架测候机直飞三个目标外，还有两架载有测量爆炸威力仪器与照相机，最后又起飞一架预备机，要降落在途中的硫磺岛。当时第二十航空队的李梅将军与太平洋舰队总司令尼米兹上将，都坐镇在天宁岛南方不远的关岛。载弹机起飞爬升至四千呎后，巴松士上校贴身入弹舱，与助手杰普生中尉，小心翼翼的在弹尾装妥起爆装置，杰普生从上卸下一个绿色螺塞，换上一个红色的，接通全部电路，完成投弹前的作业。
凌晨四时，在九千呎高空会合了两架随伴机，三机开始编队飞行直向北方四国岛航进。这次轰炸主要目标，是日本第八大城广岛，当时已有十二万市民疏散下乡，尚有二十四万五千人留在市区，过去只挨过几枚小炸弹、死了十二人。两天前美机曾在它上空，散发了七十多万分传单警告说：除非日本马上投降，否则广岛和其他都市都将成为灰烬；但市民对这一警告，毫不在意。广岛于七时零九分发出空袭警报，不久飞来一架测候机「直冲号」，假如天气理想，原子弹就投在广岛，否则改在小仓或长崎。当时广岛上空虽有一片云层，但机上的航炸员魏伊中尉，在三万两千呎由瞄准器中看得很清楚，驾驶员艾斯雷少校发出电文，建议轰炸第一目标。当时载弹机在三万两千呎，机长就命轰炸员万柯克说：目标是广岛。全体机员忙穿上防弹夹克，关闭了雷达和敌友识别器，装载观察仪器的随伴机「大艺人号」，在它后方一千码跟进；另一架随伴机则在另一空域盘旋，计时和计位准备照相，载弹机的领航再度校正侧风数据。
八时○六分飞临福山湾时，确定没有任何日人的调频来干扰炸弹的近发引信频率。副手杰普生向巴松士打个暗号，表示仪板控制炸弹所有的电路均妥当；巴松士又传给机长表示一切正常，八时十一分飞达轰炸航路的起点。瞄准点定在太田川最大的相生桥中央，做了最后协调程序，启动轰炸无线电报讯号十五秒后，炸弹将自弹舱投下，投弹机与两随伴机的机员听到这个讯号后，各人忙检查额头上的护目镜。
弹舱上的两门开了，菲尔比将拇指按在电钮旁，假如炸弹未自动掉下去，就改用按钮。当他见炸弹已顺利投下，飞机突然减轻近万磅载重，立即朝上猛地一抛，每个人的头似乎也都向上撞去。当时是八时十五分十七秒，飞机立即向后转一百五十八度，抬头加速离开爆炸点。这一训练过去每个飞行员已练习多次，务必在爆炸前，迅速远离爆点八哩才算安全。弹投下后随伴机「大艺人号」亦投下一捆东西，几秒后在张开的降落伞上，有三组测量仪器等着原子弹爆炸。机上的人员都在计时，数到四十三秒时，前方发出一道强烈闪光，整个天空顿成紫色，随后出现一团火球，直径有一千八百呎，它中心的温度高达华氏一亿度。三个降落伞下都吊有一个像灭火筒的圆筒，将爆炸时各种资料以无线电报出。当时广岛市民见这三个冉冉下降的伞，以为是美机被高炮击中机上人员跳伞逃命，否则又是散发传单；他们决未料想到，大难马上临头了。
当原子弹在六百六十码高空中爆炸后，火球下的人什么声音都听不到，也分不清究竟天空是何种颜色，火球发出高热的时间虽不到一秒，但它的热度竟把爆炸中心周围一千码的花岗石表面都熔化，屋瓦也全都软化，灰黑色都变成橄榄色或棕褐色。市区中心的墙壁，都被强光高热烙印上人或房屋影像，在万代桥的桥栏和桥面上，竟留有十个人的侧影，爆炸后产生天崩地裂般的剧震，两哩范围内的建筑物，几乎荡然无存。
从爆炸现场证明，轰炸点只比预定点偏差了三百码。未被炸死的人，头发、眉毛全都不见，皮肤变成褐色，到处都是烧焦的尸体。有位十二岁的女童，她本能的用两臂遮住面部，当她恢复神智之后，发现四周的人与建筑物都不见了，只剩下一些残余的瓦砾。她低头一看，她的裙子也不翼而飞，只剩下腰间一条白色的腰带，手上的皮竟一条一条剥落垂下。凡是穿着深色衣物暴露在闪光下的人，都受到高热灼伤，穿着浅色衣物才能保护自己的皮肉。爆炸声离中心愈远就愈大，直像天崩地裂似的。广岛上空的大气，因热升起一股猛烈气流，冲上高空凝结成污染的辐射尘，落下一阵黑雨，幸存的人见了惊骇不已。
事前科学家曾予警告说：爆炸后一分钟，飞机可能会遭到震波的袭击，当时飞机如以低速爬升，震波的冲击力可能减轻，所以狄伯兹把机头拉起减低速度，这时全机的人果然顿感到有个震波从后袭来。过了不久又再出现一次震波，它是原子弹爆炸后袭到地面的回波。
广岛被炸后一片死寂，没有烟，没有火，连一条街都看不到，死了约十万人，另有十万人遭灼伤及放射性中毒呈垂死状态，真是空前未有的浩劫，最后日本只好宣布无条件投降。
