בעיר נגסאקי היה אחד מנמלי הים הגדולים בדרום יפן ותעשייה מפותחת במיוחד. מפעלי התעשייה בעיר ייצרו ציוד מלחמתי רב עבור הצבא היפני כולל ספינות ואמצעי חימוש שונים. רובו המוחלט של הציוד יוצר על ידי קבוצת מיצובישי שהייתה בעלת פעילות ענפה בעיר והעסיקה את מרבית כוח העבודה בה.
בניגוד להירושימה, הבניינים בנגסאקי נבנו ברובם מעץ וגגות רעפים, ועל כן היו פגיעים במיוחד. במשך שנים רבות לא הייתה קיימת תוכנית מתאר לעיר, דבר שהביא לבנייה צפופה ובלתי מבוקרת. ערב הטלת פצצת האטום עמדה אוכלוסיית נגסאקי על כ-250,000 איש. בנוסף לכך, שהו בעיר 9,000 חיילים יפנים, למעלה מ-3,000 עובדי כפייה סינים וקוריאנים ו-400 שבויי מלחמה.
הטלת הפצצה.
הטלת פצצת האטום השנייה על יפן נועדה במקור לצאת לפועל ב-11 באוגוסט אולם ציפיות להרעה משמעותית במזג האוויר הביאו להקדמת המשימה ביומיים. בדומה למשימה הראשונה, נשלחו תחילה שני מטוסי B-29 סופרפורטרס לצורך בדיקת מזג האוויר מעל המטרות. שעה לאחר מכן, המריא מטוס B-29 סופרפורטרס שנקרא "בוקס קאר" ועליו פצצת האטום. צוות המטוס כלל 13 איש ובהם הטייס, מייג'ור צ'ארלס סוויני, והנשק ומפקד המשימה פרידריק אשוורת'. ביחד איתם המריאו שני מטוסי B-29 סופרפורטרס נוספים: מטוס אחד נשא ציוד צילום ונועד לצלם את המאורע, והמטוס האחר נשא ציוד מיוחד למדידת עוצמת הפיצוץ. סוויני ואשוורת' יצאו למשימה כשפצצת האטום, שכונתה "איש שמן", חמושה במטוסם. על מנת למנוע פיצוץ לא מבוקר לפני הזמן, נשאר מכשיר הביטחון החשמלי בפצצה מופעל. בזמן הבדיקות שלפני הטיסה, מצא מהנדס הטיסה כי אחת ממשאבות הדלק במטוס אינה תקינה. המהנדס הודיע לסוויני כי הדבר יביא לקיצור משמעותי של זמן הטיסה של המטוס, דבר שעלול לסכן את חזרתו בשלום אם הוא יסטה במידה רבה מלוח הזמנים של המשימה. החלפת המשאבה או העברת הפצצה למטוס אחר לא היו אפשרויות ישימות מכיוון שהיו כרוכות בסיבוכים טכניים רבים וצפויים לארוך זמן רב. בתום התייעצות מהירה שקיים סוויני עם קצינים נוספים בבסיס, הוחלט לצאת לדרך עם המטוס למרות התקלה. מעט לפני השעה ארבע בבוקר המריאו המטוסים לעבר יפן.
בהתאם לתוכנית הטיסה, היו אמורים שלושת המטוסים להגיע בנפרד לנקודת התכנסות מוסכמת בסמוך לחופי יפן ולהמשיך משם לעבר המטרה, אולם בהגיע השעה, רק שני מטוסים הגיעו למקום. המטוס השלישי, שנשא את ציוד הצילום, טס בגובה רב מדי ובדפוס טיסה שהיה שונה ממה שסוכם. עובדה זו גרמה לכך ששני המטוסים האחרים לא הצליחו לאתר אותו. לאחר כחצי שעה של המתנה, החליט אשוורת' להמשיך לעבר יפן ללא המטוס החסר.
המטרה שיועדה לצוות המשימה הייתה עיר הנמל קוקורה שבצפון האי קיושו, אולם משהגיעו המטוסים אל העיר גילו אותה אפופה בענן עשן כבד שנוצר כתוצאה מהפצצתה של העיר הסמוכה יהאטה יום לפני כן. המטוסים חגו במקום במשך למעלה מ-45 דקות וביצעו שלוש גיחות מעל העיר בניסיון לאתר את המטרה תוך שהם מאבדים בכך דלק רב וחושפים את עצמם לאש נ"מ. לאחר שאש הנ"מ התגברה והיה חשש שהיפנים ישלחו מטוסי קרב ליירט את המפציצים, החליט צוות המשימה להמשיך למטרה החלופית, נגסאקי.
לקראת השעה 11:00 הגיעו המטוסים אל העיר ומצאו גם אותה אפופה בעננים. מכיוון שמטוס ה"בוקס קאר" היה עם כמות דלק גבולית, החליטו סוויני ואשוורת' להטיל את הפצצה באמצעות שימוש במכ"ם שבמטוס, וזאת בניגוד להוראות שקיבלו שקבעו שאין להטיל את הפצצה אם לא ניתן לראות את המטרה בעיניים. אולם בשעה 11:01, כדקה לפני הטלת הפצצה, נוצר פתח בין העננים שאפשר למטילן האוויר של ה"בוקס קאר" להבחין במטרה ולהטיל את הפצצה בהתאם להוראות. פצצת האטום "איש שמן" הוטלה בשעה 11:02. יחד עמה הוטלו שלושה מכשירי מדידה שונים לבחינת עוצמת הפיצוץ. לאחר 47 שניות של נפילה התפוצצה הפצצה בגובה של כ-500 מטר, כ-3 ק"מ מהמטרה המיועדת.
עקב התקלה במשאבת הדלק והעיכובים הרבים במשימה, התברר כי למטוס ה"בוקס קאר" לא נותר מספיק דלק כדי להגיע חזרה לאיוו ג'ימה. על כן החליט סוויני לנחות במקום זאת בבסיס חיל האוויר יונטן באוקינאווה הקרוב יותר. המטוס הצליח להגיע לבסיס אך בקושי, וביצע נחיתת חירום שניות לפני שהדלק באחד ממנועיו אזל לחלוטין.
נפגעים ונזקים.
פצצת האטום "איש שמן" שהוטלה על נגסאקי הייתה חזקה יותר מזו שהוטלה על הירושימה. עוצמת הפיצוץ נאמדה בכ-21 קילוטון TNT, והטמפרטורה שמתחת לאזור הפיצוץ הגיעה לכ-3,900 מעלות צלזיוס. הפיצוץ יצר גלי הדף שהגיעו למהירות של למעלה מאלף קילומטר לשעה. ברם, מכיוון שהפצצה התפוצצה בעמק אורקאמי, ספגו הגבעות הגבוהות של העמק את ההדף, עובדה שהביאה להצלת חלקים גדולים מהעיר מפגיעה משמעותית. אף על פי כן, גרם הפיצוץ להרס אדיר ממדים. רוב המבנים שנמצאו ברדיוס של 1.6 קילומטר מנקודת הפיצוץ נהרסו לחלוטין. שריפות פרצו במוקדים שונים ברחבי העיר במרחק של עד 3.2 קילומטר מנקודת הפיצוץ. בין המבנים שנפגעו נמנו גם מפעלי הייצור של קבוצת מיצובישי שסבלו מנזקים רחבי היקף וחלקם נהרסו לחלוטין.
בין 22 ל-75 אלף בני אדם נהרגו באופן מיידי בפיצוץ. בחודשים שלאחר מכן, המשיך מספר הקורבנות לעלות כתוצאה ממותם של פצועים רבים מכוויות, תסמונת קרינה חריפה ומחלות נוספות הקשורות להשפעות הלוואי של הפצצה. ההערכות לגבי מספר האנשים שמתו עד סוף שנת 1945 כתוצאה מהטלת פצצת האטום על העיר נעות בין 39 אלף ל-80 אלף איש.
מלבד נפגעים יפנים, בין ההרוגים היו לפחות שמונה שבויי מלחמה מצבאות בעלות הברית שהוחזקו בנגסאקי ובהם חייל בריטי ושבעה חיילים הולנדים.
התכנון להטלת פצצות אטום נוספות על יפן.
לאחר הטלת פצצת האטום על נגסאקי, פרסם טרומן הצהרה נוספת:
ראש פרויקט מנהטן, הגנרל לסלי גרובס, העריך כי פצצת אטום נוספת תהיה מוכנה לשימוש ב-19 באוגוסט. בנוסף העריך גרובס כי החל מחודש ספטמבר יוכל הפרויקט להעמיד לשימוש הצבא שלוש פצצות אטום חדשות כל חודש. ב-10 באוגוסט, יום לאחר הטלת פצצת האטום על נגסאקי, שלח גרובס מזכר לגנרל ג'ורג' מרשל, ראש מטה צבא ארצות הברית ובו כתב: . באותו יום שלח מרשל את תגובתו ואמר: . הודעה זו היוותה שינוי במדיניותו של טרומן שעד אז הורה להתקיף ערים יפניות בפצצות אטום עם הפיכתן למבצעיות. במקביל לכך דנו אנשי מחלקת המלחמה האמריקאית בשאלה אם לצבור מלאי של פצצות אטום ולהטילן יחדיו בתוך פרק זמן קצר על מטרות טקטיות נבחרות כהכנה למבצע נפילה, או להמשיך להטילן אחת-אחת על מנת לפגוע במורל וליצור אפקט פסיכולוגי מתמשך. הדיונים הופסקו ב-15 באוגוסט עם הודעתה של יפן על כניעה.
כניעת יפן.
הנזק העצום שגרמה פצצת האטום שהוטלה על הירושימה הדהים את היפנים. תקוותם כי למרות הכול ניתן יהיה להגיע להסכם כניעה עם ארצות הברית בתנאים נוחים באמצעות תיווך סובייטי, התנפצה שלושה ימים לאחר הטלת הפצצה, עם הכרזת המלחמה של ברית המועצות ותחילת מבצע סערת אוגוסט. הפלישה, שהיוותה הפרה של הסכם הנייטרליות בין המדינות, הביאה לזעזוע נוסף בקרב הממשל היפני ולהבנה בקרב רבים מהם, ובכללם גם ראש הממשלה קנטרו סוזוקי, כי יש לסיים את המלחמה אף במחיר קבלת התנאים של הצהרת פוטסדאם. להבנה זו היה שותף גם הקיסר הירוהיטו. בבוקר 9 באוגוסט, זמן קצר לאחר הכרזת המלחמה של ברית המועצות על יפן, זימן הירוהיטו את קואיצ'י קידו, שומר חותם המלך ויועצו הקרוב, ודחק בו ללחוץ על חברי הממשלה היפנית למצוא דרך לסיים את המלחמה במהירות. קידו בתגובה שוחח עם סוזוקי שהבטיח לפעול לסיים את המלחמה במהירות האפשרית.
תכנון מדיניות המלחמה של יפן והתיאום בין זרועות הממשל לצבא נעשה על ידי המועצה העליונה לניהול המלחמה, גוף מיוחד שהוקם ב-1944. במועצה ישבו שישה נציגים שכונו "ששת הגדולים" וכללו את ראש הממשלה, שר החוץ, שר המלחמה, שר הימייה, ראש מטה הצי הקיסרי ואת ראש מטה הצבא. לחלק מדיוני המועצה הצטרפו גם הירוהיטו וקידו. לאחר הכרזת המלחמה של ברית המועצות על יפן, התכנסו חברי המועצה ודנו בשאלה אם להיכנע בפני בעלות הברית ובאילו תנאים. במהלך הישיבה הגיעו אליהם דיווחים ראשונים על הטלת פצצת האטום על נגסאקי. בקרב כל חברי המועצה הייתה תמימות דעים כי על כניעה של יפן לבוא רק בתנאי שבעלות הברית יתחייבו לשמר את מוסד הקיסרות (היפנים ראו בקיסר אל ומנהיג עליון של האומה היפנית ועל כן הדחתו נחשבה למעשה בלתי נתפס בעיניהם). המחלוקת העיקרית נגעה לשלושת התנאים הנוספים אותם ביקשו להציב חלק מאנשי המועצה בפני האמריקאים:
בעוד הנצים, בהובלתו של שר המלחמה קורצ'יקה אנאמי, תמכו בהצבת שלושת התנאים הנוספים, היונים, בהובלתו של סוזוקי, התנגדו לכך. אנאמי ותומכיו, ראש המטה של הצבא היפני, יושיג'ירו אומזו, וראש המטה של הצי, סואמו טויודה, טענו כי לא ניתן יהיה לשמר את מוסד הקיסרות אם יפן תיכבש וצבאה יפורק על ידי גורם זר. מנגד, סוזוקי ותומכיו, שר החוץ שיגנורי טוגו ושר הימייה יונאי מיצומאסה, טענו כי הצבת שלושת התנאים הנוספים תמנע את האפשרות לסיים את המלחמה שכן במצב הנוכחי, האמריקאים לעולם לא יסכימו לסטייה כה גדולה מעקרונות הצהרת פוטסדאם. אנאמי בתגובה גרס כי אם האמריקאים יידחו את ההצעה, יש להילחם בהם בקרב הרואי על הגנת המולדת.