1945年8月6日8時15分，「伊諾拉·蓋伊」（Enola Gay）號B-29「超級空中堡壘」戰略轟炸機，在日本廣島上空9400米高度，投下了人類歷史上第一枚用於實戰的原子彈「小男孩」（Little Boy）。
根據1945年公布的數字顯示，原子彈爆炸後產生的熱輻射和衝擊波，直接造成約66000人當場死亡、約69000人受傷；全市12.94平方公裡（5平方英裡）面積被摧毀，90000餘座建築物，僅剩28000餘座大體殘存。
但是，日本沒有投降，甚至連一絲投降的苗頭都沒有顯現出來（日方並未對《波茨坦宣言》作出任何回應）。在這種情況之下，8月9日，查理·W·斯維尼（Charles W. Sweeney）少校駕駛「博克斯卡」（Bockscar）號B-29轟炸機，在長崎上空，投下了人類歷史上第二枚，也是迄今為止最後一枚用於實戰的原子彈「胖子」（Fat Man）。
長崎三面環山，市區被一條山脈大致分為兩塊：以製造業和重工業區為主、按照北向南流向（長崎港）的浦上河命名的浦上地區；以老城區和商業區為主、按照東向北流向（長崎港）的中島河地區。上午11:02分，「胖子」在距離市中心3公裡遠的松山町171別墅網球場上空503米（正負誤差10米）高度爆炸。
距離長崎市以南約8公裡的小柳島上，有一個防空瞭望哨所觀察到「胖子」的爆炸：強烈的閃光過後，一個巨大的火球似乎覆蓋了整個城市，就像一個蓋子一樣。在火球的周圍，有一個圓環狀的環形物，中間是黑煙和火焰，它們瞬間升到天空。巨大的火球一閃而散，整個城市被一片黑暗覆蓋，環形物之間升起的煙霧，閃爍著紅、白、黃、黑四種顏色，它們只用了三四秒，就升到大概七、八千米的高度。隨後，煙霧上升的速度變慢，大約三十秒到達了一萬兩千米左右的高度。
在巨大的蘑菇雲下，是浦上地區眾多的軍工廠，例如三菱重工的長崎造船廠和機械廠、長崎武器製造廠等，它們跟著浦上地區的其它建築一起被「胖子」炸得粉碎。
當時，抵達軍工廠的衝擊波速度，達到了200米/秒，壓力達到了10噸/平方米。受到衝擊波轟擊的廠房鋼製框架，將衝擊壓力傳遞給結構的各個部分，隨後就像是麵條一樣扭曲、變形、坍塌。在這些鋼製框架下，有著數以萬計的工人和各種機械設備。
事後統計，僅長崎武器製造廠（是一個專門為舊日本海軍製造魚雷的工廠），就有2273人死亡（其中工人1693人，學生580人），5679人受傷（其中工人4621人，學生1068人）。
一個在當時倖存下來的軍工廠工人回憶：「爆炸發生前，我正在和一個同事討論工作，突然一道藍色的閃光傳來，但我什麼也聽不見。四周變得陰暗模糊，透過夾雜著各種碎片、瓦礫的灰塵，我看到之前的同事，他的頭部被一架倒塌的起重機砸中，腹部出現了一個可怕的撕裂口，腸子湧了出來。」