Komisja wyznaczona przez prezydenta Harry’ego Trumana do podjęcia decyzji o tym, na które japońskie miasta zostaną zrzucone bomby atomowe Little Boy i Fat Man, nie umieściła Nagasaki wśród dwóch najważniejszych celów. Zamiast tego wskazali Kokura jako drugi cel po Hiroszimie. W Kokurze, 130-tysięcznym mieście na wyspie Kyushu, Japończycy prowadzili jedną z największych fabryk amunicji, produkującą m.in. broń chemiczną. Amerykanie wiedzieli o tym wszystkim, ale dziwnym trafem nie wzięli jeszcze tego miasta na cel swojej konwencjonalnej kampanii bombowej. Był to jeden z powodów, dla których Komitet Celu uznał, że będzie to dobra opcja po Hiroszimie.
Trzeci wybór, Nagasaki, było miastem portowym położonym około 100 mil od Kokury. Było większe, z przybliżoną liczbą ludności 263 000 osób i kilkoma głównymi obiektami wojskowymi, w tym dwiema fabrykami Mitsubishi. Nagasaki było również ważnym miastem portowym. Podobnie jak Kokura i Hiroszima, nie ucierpiało ono zbytnio od amerykańskich bombardowań konwencjonalnych.
Po zbombardowaniu Hiroszimy 6 sierpnia, robotnicy na wyspie Tinian pracowali intensywnie nad wykończeniem bomby Fat Man i przygotowaniem jej do użycia. Było to plutonowe urządzenie implozyjne o znacznie większej złożoności niż bomba Little Boy użyta w Hiroszimie, która wykorzystywała uran-235 w dość konwencjonalnym mechanizmie wybuchowym. Naukowcy i specjaliści od uzbrojenia w Los Alamos przez lata zastanawiali się, jak wykorzystać pluton w broni atomowej, czego efektem był Fat Man.
Decyzja o użyciu Fat Mana zaledwie kilka dni po eksplozji Little Boy’a w Hiroszimie opierała się na dwóch kalkulacjach: zawsze zmiennej japońskiej pogodzie – pojawienie się tajfunu lub innego poważnego zjawiska pogodowego mogło zmusić do odłożenia eksplozji na wiele tygodni – oraz przekonaniu, że dwa bombardowania następujące po sobie w krótkim czasie przekonają Japończyków, że Amerykanie mają mnóstwo ładunków atomowych i są gotowi używać ich aż do ostatecznej kapitulacji Japonii. Raporty o zbliżającej się złej pogodzie przekonały Amerykanów do zrzucenia kolejnej bomby 9 sierpnia.
Samolot B-29 Bock’s Car 9 sierpnia 1945 roku. Dzięki uprzejmości US Army Air Force.
B-29 o nazwie Bock’s Car wystartował z Tinianu o 3:47 tego ranka. W jego brzuchu znajdował się Fat Man, a bomba atomowa była już uzbrojona. Samolotem leciał mjr Charles W. Sweeney, a towarzyszył mu zwykły pilot, kpt. Frederick C. Bock. Enola Gay brał udział w misji, lecąc na rozpoznanie pogodowe.
Nad Kokurą chmury i dym z pobliskich nalotów bombowych zasłaniały widoczność. Amerykanie widzieli część miasta, ale nie mogli namierzyć bezpośrednio arsenału, który był ich celem. Sweeney leciał nad głową, dopóki japoński ogień przeciwlotniczy i myśliwce nie spowodowały, że zrobiło się „trochę włochato” i stało się jasne, że obserwacja nie będzie możliwa. Wtedy skierował się na swój drugorzędny cel: Nagasaki. W międzyczasie w Kokurze cywile, którzy schronili się po sygnale nalotu, usłyszeli „all-clear”, wynurzyli się i odetchnęli z ulgą. Nikt z nich nie wiedział, jak niewiele brakowało, by zginęli.
Dewastacja Nagasaki, 1945. Dzięki uprzejmości National Archives.
Chmury przesłoniły widoczność nad Nagasaki, a major Sweeney, któremu kończyło się paliwo, przygotowywał się do zawrócenia w kierunku Okinawy. W ostatniej chwili w chmurach pojawiła się jednak dziura i bombardier kpt. Kermit K. Beahan ogłosił, że widzi swój cel. I tak Fat Man rozpoczął swoją podróż, detonując nad Nagasaki o 11:02 czasu lokalnego.
Dewastacja w Nagasaki, 1945. Dzięki uprzejmości Imperial War Museums.
Fat Man zdetonował na wysokości 1650 stóp nad Nagasaki z mocą 21 kiloton, około 40 procent większą niż Little Boy. Nastąpiło to niemal bezpośrednio nad fabrykami Mitsubishi, które były głównym celem ataku, a nie nad dzielnicami mieszkalnymi i biznesowymi położonymi bardziej na południe. Dziesiątki tysięcy cywilów, a zwłaszcza dzieci, zostało już ewakuowanych z miasta. Seria wzgórz otaczających Nagasaki ograniczyła początkowy wybuch i zmniejszyła zniszczenia.
Japońska matka i syn otrzymują pomoc humanitarną w Nagasaki, 10 sierpnia 1945. Dzięki uprzejmości National Archives.
Jednak wpływ był niszczycielski, zwłaszcza że ludzie usłyszeli „all-clear” po wcześniejszym ostrzeżeniu o nalocie samolotów i opuścili swoje schrony. Wszystko w promieniu mili od strefy zero zostało unicestwione. Czternaście tysięcy domów stanęło w płomieniach. Ludzie znajdujący się w pobliżu wybuchu zostali wyparowani; ci, którzy mieli pecha znaleźć się poza tym promieniem, doznali straszliwych poparzeń, a tam i dalej, zatrucia promieniowaniem, które w końcu ich zabiło. Choć szacunki są różne, w wyniku pierwszej detonacji zginęło około 40 000 osób. Do początku 1946 roku zginęło kolejnych 30 000 ludzi. W ciągu następnych pięciu lat ponad 100 000 osób zginęło w wyniku bombardowania Nagasaki 9 sierpnia 1945 roku.