这次在黎明前的任务有大量509CG大队的B-29参与，除了"ENOLA GAY"以外，还有6架飞机参与这次空袭。3架是气象机，在其它飞机起飞前升空----"STRAIGHT FLUSH"由克劳德.厄斯利(Claude Eatherly)驾驶飞往广岛；"JABBITT III"由约翰.威尔森(John Wilson)驾驶则飞往小仓，而拉尔夫.泰勒(Ralph Taylor)驾驶"FULL HOUSE"飞往长崎。如果主要目标上空覆满云层，无法进行目视识别，那么长崎和小仓就是509BG大队的备选目标。
查尔斯.斯威尼(Charles Sweeney)驾驶的"THE GREAT ARTISTE"和乔治.马夸特(Geroge Marquart)没有名字的91号机装载了相机和特殊仪器，将跟着"ENOLA GAY"一起前往目标。"TOP SECRET"是第7架也是最后一架起飞的飞机，由查克.麦克奈特(Chuck McKnight)驾驶，他只飞往硫磺岛，然后在那里等待命令。
在8月6日02:00，"ENOLA GAY"带着这独特的货物离开提尼安，2架搭载相机和科学仪器设备的B-29跟在他们后面。
蒂贝茨驾驶着"ENOLA GAY"号机，但是世界上第一次核轰炸的真正指挥官是武器专家威廉.帕尔松斯(William S 'Deak' Parsons)海军上校。这天一开始，帕尔松斯就无视了格罗夫斯的命令，他特别禁止在中空给炸弹装引信，说这样太危险了。帕尔松斯在509CG大队的驻地上看见了无数架B-29在起飞过程中坠毁，而且他认为如果在地面上把核弹准备好，"ENOLA GAY"号机如果出一点差错，那么整个任务的收尾就会给曼哈顿工程造成灾难性的的后果，而且上提尼安岛上水手和机组们死伤数千。
在03:00，当"ENOLA GAY"安全地爬升至数百英里开外后，帕尔松斯开始小心翼翼地给炸弹安装引信，让"小男孩"长上牙齿。现在，帕尔松斯的衣服和炸弹上已经沾满了鲜血。
最著名的一架B-29，就是509CG大队马丁制造的B-29-35-MO 44-86292“ENOLA GAY”，垂尾上圆圈里的一支箭头是大队的涂装，到达提尼安的时候机身十分光鲜(那时机鼻上还没有刷上名字)，在轰炸广岛的时候，“ENOLA GAY”把圆圈里的箭头换成了6BG大队的“R”。
在07:00，日本人的雷达侦测到有飞机向日本飞来，警报广播响彻整个广岛。在气象侦察的B-29到这座城市上空开始盘旋时，"ENOLA GAY"于08:09看见下方的城市，目标是广岛市中心的T型相生(Aioi)桥。
08:15，投弹手托马斯.费里比(Thomas W Ferebee)中尉----他不知道要扔下的是一枚怎样的炸弹----投下了"小男孩"。核弹在靠近市中心的地区爆炸，而"ENOLA GAY"的机组们看见一团烟柱快速上升。下方燃起了猛烈的火焰。
"小男孩"在广岛上空1800英尺(500米处)爆炸----这个高度是经过计算后得出的最佳杀伤高度。不少于7万人在这天被炸死，其中还包括了一些美军战俘，而广岛的9万幢房屋里有6万幢完全被毁，核爆当量是1.5万吨TNT。
长崎
如果对广岛的轰炸可以被形容为完美的，那么第二次原子弹的轰炸可以被描述为彻底的失败。
8月9日早些时候，查尔斯.斯威尼少校驾驶着B-29-35-MO 44-27297"BOCKS CAR"从提尼安岛升空，挂载着"胖子"原子弹。斯威尼驾驶的是弗雷德里克.波克(Frederick C Bock)上尉的轰炸机，而波克本人则在斯威尼的轰炸机B-29-35-MO 44-27353上担任观察员。
斯威尼把任务继续下去，即便是"BOCKS CAR"的油料系统出了问题，导致一部分油料无法传输也没有关系。油料出现了问题时应该立即放弃，或者在升空后带着"胖子"回到提尼安。但是这要求把炸弹拆开，重新给里面的电池充电，而这个工作要花3天的时间才能完成。从开始组装后过了9天，它们将会被换掉。
引信只能在弹体里被保留10天，因为从组装开始，里面的高热就降低了炸弹爆炸的效果，而当时提尼安没有其它的高爆引信了。当然，炸弹也可以被扔掉海里。可是"胖子"是40至50人花了3年时间才造出来的，因此，如果斯威尼在8月9日无法把核弹扔下去，那么曼哈顿工程，还有509CG大队都将面对严重的问题。
1945年8月6日早上，广岛上空的原子弹云穿过了2000英尺(6096米)高度。在“THE GREAT ARTISTE”号机的伴飞下，但却独自前往本州岛执行轰炸任务，“ENOLA GAY”号机用一枚铀芯原子弹就造成了令人难以置信的损毁程度，这种形状的核爆产物在后来被称为蘑菇云。
因此"BOCKS CAR"继续向主要目标飞去----拥有大量工业设施的小仓市，它的机组可能会，也可能不会记得投弹前目视识别目标的要求。他们之前被严正告诫，不准使用雷达来轰炸。这个赌注下得太高了，而且我们几乎没有人知道----同样幸运的是，日本人也不知道----至少从现在起，我们没有第3颗原子弹了。另一枚核弹曾经被运到过提尼安，但是它在运输过程中被损坏了，而且无法被修理好。在哪里都找不出第4枚核弹，提尼安和美国都没有。
小仓上空的目视识别是不可能的，这座城市上空被烟雾笼罩着，绝大多数都是1天前B-29机群轰炸时留下的。无法看见投弹瞄准点，迫使你驾驶着这架飞机转向次要目标，港口城市长崎。
得知日本人在广岛被炸后没有时间做出反应，"BOCKS CAR"上的油料问题和主要目标上空布满烟雾的问题，如果这次任务就这样匆忙展开后会有怎样的恶果呢？里奥纳德.柴希尔(Leonard Cheshire)是英国皇家空军轰炸机指挥部的一名经验相当丰富的老飞，他同样也在509CG大队里担任观察员，这次也登上了"BOCKS CAR"号机。
"作为一个事实，我会承认我们非常急于向长崎扔炸弹，而且我们还没做之前战争就结束了，那我们将会非常失望，然后一些人就会取消我们，如果日本人在轰炸长崎前投弹，我们甚至连飞到那里去也不用了！"
另一名观察员描述道这次任务的关键之处：
"当主要目标因为云层而无法轰炸时，他们转向了长崎，但那里同样也有云层。所有的都被告知了，他们在那里兜了一小时的圈，消掉备用燃油，但是却没有试着去做一次强制目视轰炸。
涂有6BG大队的途装，保罗.蒂贝茨上校在8月6日向广岛扔下了“小男孩”原子弹后驾驶“ENOLA GAY”号机回到提尼安岛。“ENOLA”是“单独”拼写的传闻不可靠，事实上，这是蒂贝茨上校母亲的名字。
"由于他们缺少备用油料，无法把炸弹带回提尼安岛，炸弹通过精度很低的雷达瞄准被扔下，但在最后一刻通过云层上的一个洞而改为了目视瞄准。可是这还是错失了最初的瞄准点，而且偏出了相当大的一段距离，使得威力更加强大的'胖子'效果还比不过广岛的'小男孩'，然后，轰炸机缺少油料，使其连硫磺岛都飞不到，最后降落在了冲绳，在一股硝烟中停下。
另一些资料说轰炸长崎不是目视投弹，而是违反了规则使用雷达投弹。
和广岛的那一炸不一样，一名记者目睹到了长崎的爆炸。在政府和媒体滑稽可笑的报告下，格罗夫斯已经叫来了《纽约时报》的科学记者威廉.劳伦斯(William L Laurence)来写一份媒体稿和其它的文件，所有这一切都是在封锁和保密下进行的，直到原子弹轰炸开始。不知道斯威尼和和波克已经互换了飞机----他还不知道斯威尼开的是那架飞机----劳伦斯接下来将写到炸弹是被"THE GREAT ARTISE"号机扔下的，这样混淆的事实在官方的文件里存在了数年之久。劳伦斯天和波克一起作为观察员上天，他认为自己当时乘坐的是"BOCKS CAR"号机，但事实上却是"THE GREAT ARTISE"号机。
劳伦斯经常被控告说他以自己作为曼哈顿工程内部人员的来机组身份使得他被剥夺了关键的评判资格。他关于原子弹爆炸的新闻稿总是过于乐果和主观，他把长崎的核爆描述为：
"料不到这样的小工具居然是如此美丽的东西，在个里面是数百万人工小时，而且毫无疑问地集中了有史以来数量最多的知识分子，之前大量的脑力劳动去解决一个问题也根本没法和这个相比。"
劳伦斯把长崎的核爆描述为：
509CG大队借助6BG大队的标识来掩盖自己的真实身份，这架马丁制造的B-29-35-MO 44-27353“THE GREAT ARTISTE”是以查尔斯.斯威尼少校的领航员科尔米特.贝汉(Kermit Beahan)命名的，他是509CG大队里最优秀的投弹手。注意轰炸机上的机枪塔都已经被拆除，这是限量生产的一个明显的标识。
"在第一道闪光过后，我们摘下了护目镜，但光亮还在持续，一道蓝绿色的闪光照亮了周围所有的天空。一道巨大的冲击破撞向我们的飞机，使得它从头到尾都在发抖。接下来是4次更快的冲击波，每一次都像是高射炮火力从每个方向击中我们的飞机。
"我们飞机尾部的观察员看到了一个巨大的火球从地球表面上升起，带起了巨大的白色烟圈。接下来他们看见了一个巨大的紫色火柱。在10000英尺(3084米)高度上以飞快的速度向天上飞去。
"那时候，我们的飞机又做了一个转向，朝核弹爆炸的方向飞去，那团紫色的火柱已经腾到了我们的高度上。才刚过45秒钟，就已经相当震撼了。我们看着它，就像是一颗彗星从地球上腾起来飞往外太空一样，穿过了白色的云层后变得越来越易变。这不再是一团烟了，也不再是一团火云，这就是现实的东西，在我们怀疑的眼神下诞生的一个新事物。
"在火球进化的一个阶段上，把耗费数年的任务变成了几秒钟，这个实体就像是一个巨大的图腾柱，长度大约3英里，上升了1英里后停止下来，但这是一个会动的图腾柱，在地球上雕刻出很多奇怪的鬼脸图案。