אוכלוסיית הירושימה הגיעה בשיאה ל-381 אלף תושבים, אולם ערב הטלת פצצת האטום הייתה אוכלוסיית העיר קטנה יותר, לאחר מספר פעולות פינוי שביצעה בה הממשלה היפנית, ועמדה על בין 340 ל-350 אלף תושבים. יש קושי לאמוד את אוכלוסיית העיר במדויק מכיוון שהמסמכים הרשמיים של העיר נשרפו.
הטלת הפצצה.
ב-6 באוגוסט 1945 המריא מפציץ מדגם B-29 סופרפורטרס של יחידה 509 מבסיס הטיסה האמריקאי באי טיניאן לכיוון יפן. המפציץ, שנקרא "אנולה גיי", היה חמוש בפצצת האטום "ילד קטן" והוטס על ידי טיבטס. על צוות המטוס הוטלה המשימה להטיל את פצצת האטום על העיר הירושימה כשמטרותיהם החלופיות, אם לא ניתן היה להטיל את הפצצה על הירושימה מסיבה כלשהי, היו הערים קוקורה ונגסאקי. למשימה התלוו שני מפציצי B-29 סופרפורטרס נוספים. הראשון, שנקרא "האמן הגדול" (The Great Artiste), נשא ציוד שנועד למדוד את עוצמת הפיצוץ, והשני, שנקרא מאוחר יותר "רוע הכרחי" (Necessary Evil), נועד לצלם את האירוע. את הפיקוד על המשימה קיבל פרסונס, ששימש גם כנשק וכאחראי על הפצצה הגרעינית במטוס "אנולה גיי".
לאחר שהמריאו מטיניאן, עשו המטוסים את דרכם בנפרד לנקודת מפגש מוסכמת מעל האי איוו ג'ימה. לאחר מכן פנו המטוסים לכיוון יפן. במהלך הטיסה חימש פרסונס את פצצת האטום, שלא הייתה חמושה לפני כן, עקב חשש להתפוצצות לא מבוקרת במהלך ההמראה. עוזרו של פרסונס, לוטננט מוריס ג'פסון, הסיר את מכשיר הביטחון מהפצצה כחצי שעה לפני שהמטוסים הגיעו למטרה.
המטוסים הגיעו להירושימה בטיסה בגובה של כ-9,800 מטר בראות טובה. כשעה לפני כן זיהה מכ"ם יפני את התקרבותם של מטוסי אויב לחופיה הדרומיים של יפן, והתרעה על כך שודרה בשעה 7:09 בבוקר בתחנות רדיו יפניות בערים רבות ובהן גם הירושימה. לא בוצע ניסיון ליירט את המטוסים עקב החלטתו של הפיקוד היפני שלא ליירט קבוצות מטוסים קטנות על מנת לחסוך בדלק מטוסים שאספקתו לצבא היפני נפגעה באופן קשה באותה תקופה. בשעה 7:31 שודרה בהירושימה הודעה נוספת שבה נאמר שהשמיים נקיים ממטוסי אויב. למעשה המטוס הראשון שנצפה על ידי היפנים היה מטוס B-29 סופרפורטרס שנשלח לצורך בדיקת מזג האוויר מעל המטרה. המטוס שידר הודעה בקוד מורס ל"אנולה גיי" כי מזג האוויר מעל הירושימה הוא טוב. מיד לאחר מכן פנה המטוס לכיוון הים ומסיבה זו שודרה בהירושימה ההודעה שהשמיים נקיים. בשעה 8:09 החל טיבטס בגיחה לעבר היעד והורה למטילן שלו לאתר את המטרה.
בשעה 8:15 הוטלה פצצת האטום "ילד קטן" מהמטוס "אנולה גיי". ביחד איתה הוטלו שלושה מכשירי מדידה שונים לבחינת עוצמת הפיצוץ מהמטוס "האומן הגדול". לאחר 43 שניות של נפילה התפוצצה הפצצה בגובה המתוכנן של כ-580 מטר מעל העיר. את הדף הפיצוץ הרגיש צוות "אנולה גיי" רק כשהמטוס היה כבר במרחק של כ-18.5 ק"מ מנקודת ההטלה.
צבא ארצות הברית הפיל מספר פעמים בעבר עלונים בערים יפניות רבות שהזהירו אזרחים מפני הפצצות אוויריות קרבות. בין הערים שקיבלו אזהרות אלו היו גם הירושימה ונגסאקי. אף על פי כן, לתושבי הירושימה לא ניתנה אזהרה קונקרטית על הפצצה אטומית.
גילוי חורבן העיר על ידי היפנים.
כדקה לאחר הטלת פצצת האטום, הבחין לפתע בקר מטעם תאגיד השידור של יפן שקו הטלפון שלו לתחנת הירושימה נותק. הבקר, שישב בטוקיו, ניסה לחדש את הקשר על ידי שימוש בקו טלפוני חלופי אך ללא הצלחה.
זמן קצר לאחר מכן, החל מטה הצבא היפני לקבל תשדורות מבולבלות מעדים שנמצאו כ-16 ק"מ מהירושימה, על פיצוץ גדול ממדים שאירע בעיר. דיווחים אלו הפתיעו את אנשי המטה הכללי היפני. המטה, שעקב מקרוב אחר ההפצצות האוויריות של ארצות הברית, ידע שאף הפצצה בהיקף משמעותי לא אירעה בעיר ולא שכנו בה חומרי נפץ בכמויות גדולות מספיק על מנת להביא לפיצוץ גדול. מסיבה זו, התגבשה הערכה בקרב אנשי המטה שמדובר באירוע זניח וכי העדויות על פיצוץ עצום הן בגדר שמועה. אף על פי כן, לאחר שהניסיונות ליצור קשר עם גורמים שונים בעיר כשלו, הוחלט לשלוח להירושימה קצין צעיר על מנת שיעביר מידע מהימן על המתרחש. הקצין יצא לדרך בטיסה זמן קצר לאחר מכן. כבר בהיותו 160 ק"מ מהירושימה, הבחין הקצין וטייס המטוס שלו, בענן עשן עצום מעל העיר. עם הגעתם, הם החלו לחוג מעל העיר והתקשו להאמין למראה עיניהם; במקום בו שכן מרכז העיר הירושימה הם מצאו שממה בוערת מכוסה בענן עשן כבד. השניים נחתו בחלק הדרומי של העיר והקצין העביר דיווח בהול לטוקיו והחל לארגן את כוחות ההצלה במקום. רק לאחר פרסום הודעה רשמית מטעם הממשל האמריקאי, 16 שעות לאחר ההתקפה, הבינו היפנים כי הירושימה נפגעה מפצצת אטום.
ימים ספורים לאחר הטלת פצצת האטום דיווחו עיתונים בעולם ששידורים מתחנת הרדיו של טוקיו תיארו את הנזק שנצפה בהירושימה כך:
נפגעים ונזקים.
כתוצאה מרוח צולבת חזקה, החטיאה פצצת האטום את גשר אייאוי (Aioi Bridge), נקודת הפיצוץ המתוכננת, בכ-240 מטרים, והתפוצצה מעל בית החולים שימה. עוצמת הפיצוץ הוערכה ב-13 עד 18 קילוטון TNT, והטמפרטורה שמתחת לאזור הפיצוץ הגיעה לכמה אלפי מעלות צלזיוס. כמעט כל מבנה ברדיוס של 1.6 ק"מ נהרס כליל ושרפות פרצו על פני 11 קילומטרים רבועים. לפי הערכות יפניות רשמיות כ-12 קילומטרים רבועים מהעיר ו-69% מהמבנים בה נהרסו כליל, ולעוד 6.6% מהמבנים נגרמו נזקים כבדים. מבני בטון רבים בהירושימה נבנו במיוחד כדי לעמוד ברעידות האדמה החזקות שמתרחשות בתדירות גבוהה ביפן. חלק ממבנים אלה היו מחוזקים כל כך שהשלדה שלהם לא קרסה בהפצצה אף שהיו קרובים מאוד למוקד הפיצוץ. נוסף לכך, מכיוון שהפצצה התפוצצה באוויר, עוצמת הפיצוץ כוונה יותר כלפי מטה מאשר לצדדים. עובדות אלה הביאו לכך שמבנה "אולם קידום התעשייה של מחוז הירושימה" לא קרס בהפצצה אף על פי שהיה רק כ-150 מטר ממוקד הפיצוץ. המבנה הוא הקרוב ביותר למוקד הפיצוץ ששרד בחלקו, והוא הפך ברבות השנים לאנדרטת השלום בהירושימה שהוכרזה ב-1996 כאתר מורשת עולמית.
בין 70 ל-80 אלף בני אדם נהרגו באופן מיידי בפיצוץ, וכ-70 אלף בני אדם נפצעו. למעלה מ-90% מהרופאים ו-93% מהאחיות הרפואיות בהירושימה נהרגו או נפצעו. בחודשים שלאחר הטלת פצצת האטום, המשיך מספר הקורבנות לעלות כתוצאה ממותם של פצועים רבים מכוויות, מתסמונת קרינה חריפה וממחלות נוספות הקשורות להשפעות הלוואי של הפצצה. ההערכות לגבי מספר האנשים שמתו עד סוף שנת 1945 כתוצאה מהטלת פצצת האטום על הירושימה נעות בין 90 אלף ל-166 אלף איש. על-פי הערכות אחרות כ-200 אלף בני אדם מתו עד שנת 1950 מההפצצה, כשלמספר הקורבנות נוספו גם אנשים שנפטרו כתוצאה ממחלת הסרטן ומחלות אחרות שהתפתחו כתוצאה מההשפעה של הקרינה המייננת שנוצרה לאחר הפיצוץ. אחד המחקרים המקיפים שנעשו בנושא גרס כי בין שנת 1950 לשנת 2000, כמחצית ממקרי המוות מלוקמיה וכ-10% ממקרי המוות כתוצאה מסוגי סרטן אחרים בקרב שורדי ההפצצה בהירושימה נבעו מהקרינה המייננת שספגו בזמן ההפצצה. הערכה זו מוסיפה כ-1,900 איש למספר הנספים. מבין הבולטים שבהרוגי המתקפה נמנים סנקיצ'י אווייה, ראש עיריית הירושימה, שנספה ביחד עם בנו ונכדתו בזמן שאכל איתם ארוחת בוקר והנסיך הקוריאני יו וו משושלת ג'וסון ששירת כלוטננט קולונל בצבא היפני. מלבד נפגעים יפנים, נמנו בין הרוגי ההפצצה גם 11 שבויי מלחמה אמריקאיים (אף על פי שבשנים שלאחר מכן התברר שלפחות חלקם הוצאו להורג על ידי היפנים לאחר המתקפה או מתו כתוצאה מניסויים רפואיים שביצעו בהם היפנים לפני המתקפה).
בין שתי ההפצצות.
כ-16 שעות לאחר הטלת פצצת האטום על הירושימה פרסם טרומן הצהרה שהוכנה מראש שהודיעה על השימוש בנשק החדש. בהצהרה נכתב:
אף על פי שהצהרתו של טרומן התקבלה ביפן, הממשל היפני החליט שלא להגיב. ב-5 באפריל, שלושה חודשים לפני הטלת פצצת האטום על הירושימה, הודיעה ברית המועצות ליפן שהיא מממשת את זכותה שלא לחדש את הסכם הנייטרליות הסובייטי-יפני שנחתם ב-1941 לחמש שנים נוספות, אך הבטיחה לכבד את ההסכם עד פקיעתו באפריל 1946. למרות זאת, ב-9 באוגוסט, מספר דקות לאחר חצות לפי שעון טוקיו, הפרה ברית המועצות את ההסכם כשכוחות רגלים, שריון ואוויר סובייטים פלשו למנצ'וקוו שבשליטת יפן במסגרת מבצע סערת אוגוסט. ארבע שעות לאחר מכן קיבלו הרשויות היפניות בטוקיו הודעה על כך שברית המועצות הכריזה מלחמה על יפן. ראשי הצבא היפני החלו בהכנות להטלת ממשל צבאי על המדינה בתמיכת שר המלחמה, קורצ'יקה אנאמי, על מנת לעצור כל אדם שינסה לנהל מגעים לשלום.
ב-7 באוגוסט, יום לאחר ההפצצה, ביקר בעיר ד"ר יושיאו נישינה, מבכירי מדעני האטום היפנים. נישינה סקר את נזקי ההפצצה ואישר כי הירושימה אכן נחרבה על ידי פצצת אטום. אף על פי כן, הוא העריך, בדומה למדעני אטום יפנים אחרים, כי ארצות הברית מחזיקה לכל היותר בשתי פצצות אטום מבצעיות נוספות. הערכה זו הביאה את ראשי הצבא היפני לידי החלטה לספוג גם את ההתקפות הצפויות הבאות בהנחה שהם אומנם יגרמו נזק רב נוסף, אך יכולת הלחימה של הצבא היפני לא תשותק כתוצאה מכך. תשדורת ברוח זו, שהועברה למקבלי ההחלטות במדינה, פוענחה על ידי אנשי פרויקט מג'יק האמריקאי.
טרומן הורה לראשי המטות המשולבים של צבא ארצות הברית להטיל פצצות אטום נוספות על יפן ברגע שיהפכו למבצעיות מבלי להמתין להוראה מיוחדת ממנו. בהתאם לכך, ב-9 באוגוסט, הוטלה פצצת אטום נוספת על העיר נגסאקי.
הטלת פצצת האטום על נגסאקי.