Der zweite Atomwaffenabwurf fand am 9. August statt. Die B-29 mit dem Namen Bockscar startete, um Fat Man, eine Plutonium-Bombe (die auf Hiroshima abgeworfene Bombe nutzte U235), auf Kokura abzuwerfen. Da die Stadt großflächig von Dunst und Rauch verhüllt war, beschloss der Pilot Charles Sweeney, das Sekundärziel Nagasaki anzufliegen. Um 10:58 Uhr warf die Besatzung Fat Man über der Stadt ab. Die Explosion mit einer Sprengkraft von 20 Kilotonnen TNT-Äquivalent zerstörte 3,8 km² Stadtgebiet im Bezirk Urakami. In den späten 1990er Jahren veröffentlichte japanische Statistiken gehen davon aus, dass als Folge der Explosion mehr als 100.000 Menschen ums Leben kamen. Der Angriff traf auch die in der Stadt liegenden Industrieanlagen schwer. Die Stahlproduktion fiel für ein Jahr aus, die Stromversorgung hatte zwei Monate lang mit schweren Engpässen zu kämpfen und die Rüstungsindustrie erlitt ebenfalls starke Einschnitte. Da sie beim Anflug auf das Ausweichziel zu viel Treibstoff verbraucht hatte, landete die Bockscar statt auf Tinian auf dem weit näheren Okinawa. Ebenfalls am 9. August begann die sowjetische Invasion der Mandschurei, bei der der Roten Armee binnen kurzer Zeit enorme Geländegewinne gelangen. B-29 warfen darüber hinaus 3 Millionen Flugblätter über japanischen Städten ab, in denen angekündigt wurde, die Alliierten würden so lange Atombomben einsetzen, um die militärischen Ressourcen des Landes zu zerstören, bis der Tennō den Krieg beende. Zu diesem Zeitpunkt ging man auf amerikanischer Seite davon aus, dass eine dritte Bombe Ende August einsatzbereit sei. Bis Ende November erwartete man acht Bomben fertiggestellt zu haben und Chief of Staff of the Army George C. Marshall warb dafür, diese in Reserve zu halten, um sie bei der geplanten alliierten Invasion gegen taktische Ziele einsetzen zu können.