本已经决定不拦截小飞机编队。
不过雷达操作员却致电防空炮台。要求他们进入警备状态，一旦敌机进入东京市区，防空部队立即开炮还击。
由于解除了防空警报。所以地面上的日本民众并没有在意。因为从广播中得知这次仅仅只有三架敌军战机，而己方的防空部队已经就位，相必很快就会将敌人击落或者是赶走。因此，东京市区几乎所有的市民都在正常工作。
9点50分33秒，那架装载着原子弹的美机上的视准仪对准了日本京都守备司令部以及附近的日本军营，自动投弹装置被启动了。60秒种后。原子弹从打开的舱门落入空中。这时飞机作了一个155°的转弯，俯冲下来；一瞬间，飞行高度下降了300多米。这样做是为了尽量远离爆炸地点。
45秒种后，原子弹在离地600米空中爆炸，立即发出令人眼花目眩的强烈的白色闪光。东京中心上空随即发生震耳欲聋的大爆炸。顷刻之间，城市突然卷起巨大的蘑菇状烟云。接着便竖起几百根火柱，东京马上沦为焦热的火海。
由于侧风的缘故，原子弹偏离瞄准点守备司令部500米左右，在日本陆军大学上空600米处引爆。它的爆炸当量为16 000吨tnt炸药。总破坏半径约1.6公里，11平方公里内发生火灾。约有12平方公里的市区被摧毁，东京一半左右的建筑物遭到毁灭性打击。
原子弹爆炸产生的强烈光波，使成千上万人双目失明；10亿度的高温，把一切都化为灰烬；冲击波形成的狂风，又把所有的建筑物摧毁殆尽。处在爆心极点影响下的人和物，象原子分离那样分崩离析。离中心远一点的地方，可以看到在一霎那间被烧毁的男人和女人及儿童的残骸。更远一些的地方，有些人虽侥幸还活着，但不是被严重烧伤，就是双目被烧成两个窟窿。在16公里以外的地方，人们仍然可以感到闷热的气流。由于东京人口密集，所以此次爆炸造成近10万人直接死亡，另外还有近10万人在原子弹爆炸及产生的暴风受伤。
在原子弹爆炸后不到两个小时，中美英苏四国政府再次发表声明，督促日本政府立即无条件投降，否则将会受到更加严厉的打击。
但是，东京的悲剧并未使日本立即同意接受盟国的最后通牒，也没有无条件投降。日本政府和大本营竭力掩盖东京事实真相，对外宣称是有一枚陨石陨落在东京市。
日本情报机关认为美国并没有太多的原料制造原子弹，并认为美军只有一颗原子弹，所以他们拒绝无条件投降。
1944年8月17日，美军又在日本长崎和广岛各投下一原子弹。两大城市一天内便有15万人丧生，另外还有5万人在随后的3天中死亡。
17日下午，盟国再次发表督促日本政府，立即无条件投降，否则横滨和小仓将会是成为下一个打击目标，盟军给日本政府3天的时间，3天后日本政府如无明确答复，盟军将会对日本进行核打击的同时，进行登陆作战。
1944年8月22日，日本天皇发布投降诏书，宣布无条件投降。