Die naam Fat Man verwys gewoonlik na die ontwerp van die bom, want dit het 'n wye, ronde vorm. Dit was ook bekend as die Merk III. Fat Man was 'n ineenploftipe kernwapen met 'n soliede plutoniumkern. Dit was 3,25 meter lank, het 'n omtrek van 1,52 meter gehad, het 4 545 kilogram geweeg en is op 'n hoogte van 1 800 voet bo die stad laat ontplof. Dit is laat val uit die Boeing B-29 Superfortress-bomwerper Bockscar onder bevel van Frederick C. Bock. Vir die Fat Man missie is Bockscar geloods deur majoor Charles W. Sweeney.
Die plofbare deel van die bom het bestaan uit 'n sferiese struktuur, wat (van buite na binne) uit die volgende komponente bestaan: 'n paar lae konvensionele plofstof met sorgvuldig ontwerpte vorm en samestelling. Daaronder 'n aluminium drukstuk met die volgende laag 'n dik dop uraan wat weens die massa bedoel was om die kernreaksie lank genoeg terug te hou om die doeltreffendheid van die plutonuim inplofing te verhoog. In die middel van die bom was die plutoniumput met 'n berillium-polonium-ontsteker wat deur die inploffing 'n groot hoeveelheid neutrone opgelewer het om die kernkettingreaksie te begin.
Die ontwerp het daarop gefokus om die kernlading met 'n "gevormde lading" (hol lading) saam te pers, sodat 'n doeltreffende kernkettingreaksie in die bomkern ('n plutoniumput met 'n berillium-polonium-ontsteker) kan ontstaan. Daarby was die buitekant van die bom so bolvormig en simmetries as moontlik, waarop vyf- en seshoekige blokke plofbare materiaal aangebring is (2). Op die vooraf-ingestelde hoogte bo seespieël word elkeen van die blokke deur 'n eie elektriese ontsteker (1) tegelyk tot 'n ontploffing gebring. Die ontbranding versprei dan aanvanklik vanuit elke blok, sferies,(3), waarna dit die laag onder dit en die stadiger gevormde plofstof bereik waar die drukpuls konkaaf (hol) word vanweë die vorm en samestelling (4) van hierdie dieper laag plofstof. Hierna in die laag daaronder (5) is die ontsteking dus voldoende bolsimmetries, waarna die aluminiumwand (6) die drukpuls na die uraansfeer (7) laat beweeg, wat daardeur na binne versnel. Die plutoniumbol (7) (die 'pit') word saamgepers en die polonium-berilliumneutronbron (8) ontbrand as gevolg van die hoë kompressie. Dit veroorsaak 'n kernontploffing waarin aanvanklik die swaar uraanlaag (7) wat steeds na binne beweeg, die 'pit' lank genoeg bymekaar hou om 'n groot neutronvermenigvuldiging te bewerkstellig (die ontsluiting van die kettingreaksie deur middel van die binnewaartsgerigte impuls van die uraanwand).
Die oorspronklike ontwerp van die plutoniumbom is ook gebaseer op die vroeëre en eenvoudiger kanonloopontwerp, soos die Hiroshima-bom. Die plutonium van die Hanford-kernreaktor was egter nie suiwer genoeg nie en het plutonium-240 bevat, die kerne wat 40 000 keer vinniger opsplit as die van plutonium-239. Die opsplitting sou te stadig wees om die kritieke massa te bereik in 'n kanonloop; die laaste sentimeter moet in minder as 40 mikrosekondes afgelê word om 'n verminderde ontploffing te voorkom. Seth Neddermeyer (Los Alamos) het vorendag gekom met die idee van die samestelling van die plutonium-sfeer om die kritieke massa op 'n optimale manier te realiseer. 'n Veiligheidsaspek van hierdie bomkonsep word ook genoem, wat 'n rol gespeel het in die besluit om oor te skakel na hierdie meer ingewikkelde bomtipe. As een of meer ontstekers per ongeluk met hierdie soort bom afgaan, sou die ontploffing baie minder intens wees. Dit is in teenstelling met die ontwerp van die kanonloop-ontwerp.
Klaus Fuchs het vir die Sowjetunie gespioeneer en hulle inligting gegee oor Fat Man. Die eerste Sowjet-atoombom RDS-1, wat in die Weste bekend staan onder die kodenaam "Joe 1", was gebaseer op die Fat Man-ontwerp. Die oorspronklike Fat Man-ontwerp is steeds 'n geheim. Wat bekend is, is hoofsaaklik gebaseer op gegewens wat deur spioene in Los Alamos aan die Sowjetunie gestuur is en in 1992 deur die Russiese regering vrygestel is.