Dự án Manhattan
Vụ ném bom Hiroshima và Nagasaki > Tiến hành

Tháng 5 năm 1945, Tổng thống Truman mới nhậm chức lập ra một Ủy ban Lâm thời cố vấn cho mình về việc sử dụng năng lượng trong chiến tranh và hậu chiến. Đứng đầu Ủy ban là Stimson, cùng với James F. Byrnes, một cựu thượng nghị sĩ sắp trở thành Ngoại trưởng, với tư cách phái viên của Tổng thống Harry S. Truman; Ralph A. Bard, Thứ trưởng Hải quân; William L. Clayton, Trợ lý Ngoại trưởng; Vannevar Bush; Karl T. Compton; James B. Conant; và George L. Harrison, một phụ tá của Stimson và là chủ tịch Công ty Bảo hiểm Nhân thọ New York. Đến lượt mình, Ủy ban Lâm thời lập ra cơ quan tư vấn khoa học bao gồm Arthur Compton, Fermi, Lawrence và Oppenheimer. Trong bài thuyết trình với Ủy ban Lâm thời, ban tư vấn cung cấp ý kiến không chỉ về hiệu ứng vật lý của quả bom, mà còn cả ảnh hưởng chính trị và quân sự của nó.
Tại Hội nghị Potsdam ở Đức, Truman được thông báo rằng vụ thử Trinity đã thành công. Ông úp mở với Joseph Stalin, lãnh tụ tối cao của Liên Xô, rằng Hoa Kỳ đã có một siêu vũ khí mới, mà không nói gì thêm. Đây là liên lạc chính thức đầu tiên với Liên Xô về quả bom, nhưng thực ra Stalin đã biết điều đó từ trước nhờ các điệp viên. Với sự chuẩn thuận ném bom chống lại Nhật Bản được đưa ra từ trước, người ta không xét đến một lựa chọn thay thế nào khác ngoài Nhật sau khi đế quốc này bác bỏ Tuyên bố Potsdam.
Ngày 6 tháng 8 năm 1945, chiếc pháo đài bay B-29 Enola Gay thuộc Phi đội Ném bom 393, do Tibbets lái và chỉ huy, cất cánh mang theo Little Boy và Parsons đóng vai trò triển khai bom. Hiroshima, một căn cứ quân sự và cảng tàu quan trọng của Nhật là mục tiêu chính của nhiệm vụ, và Kokura và Nagasaki là các lựa chọn thay thế. Được Farrell cho phép, Parsons hoàn thành việc lắp ráp bom trên không để giảm thiểu rủi ro trong lúc tăng độ cao sau cất cánh. Trái bom được kích nổ ở độ cao 1.750 foot (530 m) với sức nổ sau này được ước tính là tương đương với 13 nghìn tấn thuốc nổ TNT (13 kiloton). Một diện tích xấp xỉ 4,7 dặm vuông Anh (12 km2) bị hủy diệt hoàn toàn. Các viên chức Nhật ước tính rằng khoảng 69% nhà cửa của Hiroshima bị hủy diệt và khoảng 6-7% khác bị tổn hại. Khoảng từ 70 nghìn tới 80 nghìn người, tức chừng 30% dân số Hiroshima, bị giết ngay lập tức, và hơn 70 nghìn người khác bị thương.
Sáng ngày 9 tháng 8 năm 1945, chiếc B-29 Bockscar, do chỉ huy Phi đội Ném bom 393, Thiếu tá Charles W. Sweeney lái, mang theo Fat Man cất cánh. Lần này, Ashworth đóng vai trò người triển khai bom và Kokura là mục tiêu chính. Sweeney cất cánh với vũ khí dược trang bị sẵn nhưng các chốt an toàn điện tử vẫn được gài. Khi họ tới Kokura, họ nhận thấy mây che phủ thành phố, ngăn cản ném bom có quan sát theo lệnh của cấp trên. Sau ba lần bay vòng quanh thành phố, trong khi nhiên liệu cạn đi nhiều, họ chuyển hướng tới mục tiêu thứ nhì, Nagasaki. Ashworth quyết định rằng nếu mục tiêu bị che khuất nữa họ sẽ tiếp cận bằng ra-đa, nhưng mây tách ra vào phút cuối trên bầu trời Nagasaki cho phép họ nhắm mục tiêu như mệnh lệnh. Fat Man được thả vào khu thung lũng công nhiệp của thành phố, giữa hãng Thép Mitsubishi và các Công xưởng Quân đội ở phía nam và Công xưởng Quân khí Mitsubishi-Urakami ở phía bắc. Vụ nổ có sức công phá tương đương 21 nghìn tấn TNT, tương đương với vụ nổ Trinity, nhưng giới hạn ở Thung lũng Urakami, và phần lớn thành phố được bảo vệ bởi các quả đồi ngăn cách. Khoảng 44% thành phố bị hủy diệt; 35 nghìn người bị giết và 60 nghìn bị thương.
Groves trông đợi các nhà máy sẽ có thêm một quả bom nữa sẵn sàng vào 19 tháng 8, ba quả nữa vào tháng 9 và ba quả khác vào tháng 10. 2 bộ linh kiện cho Fat Man đã sẵn sàng. Một lõi thứ ba được đặt lịch rời Sân bay Kirtland tới Tinian vào ngày 12 tháng 8. Robert Bacher đóng gói nó lại ở Nhà Băng tại Los Alamos khi ông nhận được tin rằng Nhật Bản đã bắt đầu thương lượng đầu hàng. Groves ra lệnh ngừng vận chuyển bom. Ngày 11 tháng 8, ông gọi điện cho Warren, ra lệnh tổ chức một đội khảo sát để báo cáo về sức tàn phá và phóng xạ ở Hiroshima và Nagasaki. Một nhóm trang bị máy đếm Geiger xách tay đến Hiroshima 8 tháng 9 dẫn đầu bởi Farrell và Warren, với Chuẩn đô đốc Nhật Masao Tsuzuki làm người phiên dịch. Họ ở lại Hiroshima tới ngày 14 và sau đó khảo sát Nagasaki từ 19 tháng 9 tới 8 tháng 10. Nhóm này cùng các đơn vị khoa học khác tới Nhật sau đó sẽ cũng cấp những dữ liệu khoa học và lịch sử quan trọng.
Tính cần thiết ném bom nguyên tử Hiroshima và Nagasaki đã trở thành một vấn đề gây tranh cãi kéo dài trong giới học giả và dư luận. Một số người đặt câu hỏi liệu một thứ "ngoại giao nguyên tử" (đe dọa thay vì ném thật) có đạt được cùng mục đích hay không và tranh cãi liệu các vụ ném bom hay là việc Liên Xô tuyên chiến với Nhật Bản đóng vai trò quan trọng hơn khiến cho Nhật Bản đầu hàng.