8月9日，-29轰炸机改装的博克斯卡号轰炸机携带“胖子”原子弹前往小仓市投弹，但小仓上空烟雾和阴霾弥漫，驾驶员查尔斯·斯威尼（）上校决定轰炸次要目标长崎市。飞机在当地时间上午10点58分投弹，爆炸当量两万吨，摧毁浦上区3.8平方公里建筑。20世纪90年代末，日本发布的官方数据宣称此次空袭造成十万余人死亡。轰炸令长崎工业生产陷入瘫痪，钢铁停产一年，电力持续两个月大幅削减，武器生产同样大幅减少。参加行动的所有美国飞机安全返航。8月9日苏联进攻满洲，红军迅速推进。-29轰炸机这天向日本城市空投三百万份传单，警告天皇如不终止战争，盟军会用原子弹摧毁日本所有战争资源。此时预计第三枚原子弹会在八月结束前完成，按照计划11月结束前还将制出八枚。美国陆军参谋长乔治·卡特莱特·马歇尔五星上将主张不再用原子弹轰炸城市，改为打击战术目标支援地面进攻。