Hiroshima fue el objetivo primario del primer bombardeo atómico seguido de Kokura y Nagasaki como objetivos alternativos. La fecha del 6 de agosto se eligió porque anteriormente la ciudad había estado cubierta por nubes. El B-29 Enola Gay, perteneciente al Escuadrón de Bombardeo 393d, pilotado y comandado por el Coronel Paul Tibbets, despegó desde la base aérea de North Field, en Tinian, y realizó un viaje de aproximadamente seis horas de vuelo hasta Japón. El Enola Gay fue acompañado por otros dos B-29 durante su viaje, el The Great Artiste, que llevaba instrumentos de medida, y el Necessary Evil y que tenía labores de fotografía.
Después de salir de Tinian, el Enola Gay viajó por separado hacia Iwo Jima, donde se reunió a 2.440 metros de altura con los bombarderos auxiliares, tomando rumbo hacia Japón. La aeronave arribó al objetivo con clara visibilidad a los 9.855 m. Durante el viaje, el Capitán de la Armada William Parsons armó la bomba, ya que se había desactivado para minimizar el riesgo de explosión durante el despegue. Su asistente, el Subteniente Morris Jeppson, quitó los dispositivos de seguridad treinta minutos antes de llegar al objetivo.
Alrededor de las 7:00 de la mañana el sistema de radares japoneses de alerta temprana detectó a las naves estadounidenses aproximándose desde la parte sur de Japón, por lo que se emitió una alerta a distintas ciudades, entre ellas Hiroshima. Un avión climatológico sobrevoló la ciudad y al no ver signos de los bombarderos, los habitantes decidieron continuar sus actividades diarias. Cerca de las 8:00 de la mañana el radar detectó nuevamente los B-29 acercándose a la ciudad, por lo que las estaciones de radio emitieron la advertencia para que los habitantes se refugiaran, pero muchos la ignoraron.
La bomba Little Boy fue arrojada a las 08:15 horas de Hiroshima y alcanzó en 55 segundos la altura determinada para su explosión, aproximadamente 600 metros sobre la ciudad. Debido a vientos laterales falló el blanco principal, el puente Aioi, por casi 244 metros, detonando justo encima de la Clínica quirúrgica de Shima. La detonación creó una explosión equivalente a 13 kilotones de TNT, a pesar de que el arma con U-235 se consideraba muy ineficiente pues sólo se fisionaba el 1.38% de su material. Se estima que instantáneamente la temperatura se elevó a más de un millón de grados centígrados, lo que incendió el aire circundante, creando una bola de fuego de 256 metros de diámetro aproximadamente. En menos de un segundo la bola se expandió a 274 metros.
Alrededor de treinta minutos después comenzó un efecto extraño: empezó a caer una lluvia de color negro al noroeste de la ciudad. Esta «lluvia negra» estaba llena de suciedad, polvo, hollín, así como partículas altamente radioactivas, lo que ocasionó contaminación aun en zonas remotas.
El radio de total destrucción fue de 1,6 kilómetros, provocando incendios en 11,4 km cuadrados. Los estadounidenses estimaron que 12,1 km cuadrados de la ciudad fueron destruidos. Autoridades japonesas estimaron que el 69% de los edificios de Hiroshima fueron destruidos y otro 6-7% resultó dañado.
A pesar de que aviones estadounidenses habían lanzado previamente panfletos advirtiendo a los civiles de bombardeos aéreos en otras 12 ciudades, los residentes de Hiroshima nunca fueron advertidos de un ataque nuclear. Entre 70.000 y 80.000 personas, cerca del 30% de la población de Hiroshima murió instantáneamente, mientras que otras 70.000 resultaron heridas. Cerca del 90% de los doctores y el 93% de las enfermeras que se encontraban en Hiroshima murieron o resultaron heridos, ya que la mayoría se encontraba en el centro de la ciudad, área que recibió el mayor daño.
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