Druga bomba atomowa została zrzucona 9 sierpnia. Bombowiec B-29 „Bockscar” wystartował z wyspy Tinian z zadaniem zaatakowania miasta Kokura bombą „Fat Man”. Miasto było jednak pokryte warstwami dymu i mgły, wobec czego dowódca samolotu, major Charles Sweeney, postanowił zaatakować cel zastępczy, jakim było Nagasaki. Bomba została zrzucona o godz. 10.58 miejscowego czasu, a eksplozja o sile 20 kiloton zniszczyła 3,8 km² dzielnicy Urakami. Wstępne szacunki podawały liczbę 27 000 ofiar, ale oficjalne dane japońskie, opublikowane w końcu lat dziewięćdziesiątych XX wieku, mówią, że całkowita liczba ofiar śmiertelnych tego ataku przekroczyła 100 000. W ataku ucierpiała również infrastruktura przemysłowa miasta: produkcja stali cofnęła się o rok, dostawy energii elektrycznej zostały poważnie ograniczone na przeciąg dwóch miesięcy, drastycznie zmalała produkcja broni. Amerykańskie samoloty biorące udział w nalocie wróciły do baz bezpiecznie. 9 sierpnia rozpoczęła się wojna sowiecko-japońska i błyskawiczna ofensywa Armii Czerwonej w Mandżukuo. Tego też dnia bombowce B-29 zrzuciły nad japońskimi miastami trzy miliony ulotek ostrzegających, że jeśli cesarz nie zakończy wojny, bomby atomowe całkowicie zniszczą zapasy wojenne kraju. W tym momencie nie były to czcze pogróżki: wojskowi amerykańscy spodziewali się, że trzecia bomba jądrowa będzie gotowa do końca sierpnia. Zakładano, że osiem bomb zostanie zbudowanych do listopada, w związku z czym szef sztabu US Army, generał George Marshall, zalecał zachować je raczej w rezerwie do użycia przeciw celom taktycznym w czasie planowanej inwazji, niż zrzucać na miasta.