Amerikanerne slapp den første atombomben nær sentrum av byen, bare 3 km unna der Yamaguchi oppholdt seg på dette tidspunktet. Yamaguchi minnes å se bomber og små fallskjermer, før det var ett stort lysglimt på himmelen, og han ble blåst overende. Eksplosjonen rev over trommehinnene, blindet ham midlertidig, og etterlot ham med flere alvorlige brannskader over hele venstre side på den øverste halvdelen av kroppen. Han klarte å krype i ly og hvilte ut før han begynte å lete etter sine kolleger. De hadde også overlevd, og sammen tilbrakte de den neste natten i ett tilfluktsrom før de returnerte til Nagasaki dagen etter. I Nagasaki fikk han medisinsk behandling for sine sår, og til tross for at han var tungt bandasjert, gikk han på arbeid igjen den 9. august 1945.