1945 年 6 月，第 20 和 21 轰炸机司令部合并为美国太平洋战略航空军，指挥官卡尔.A.斯帕茨将军。
6 月底，日本的战争机器已经走到尽头，百姓恐慌，天皇开始考虑停战谈判，但日本军队仍负隅顽抗。
马里亚纳行动中，B-29 共进行了 25,500 架次的出击，投放了 150,000 吨的炸弹和燃烧弹，B-29 损失 371 架。
1944-45 年第 20 航空军战斗序列：第 21 轰炸机司令部第 58 轰炸机联队——组建于 1944 年 6 月第 40 轰炸机大队第 25、44、45 轰炸机中队第 444 轰炸机大队第 676、677、678 轰炸机中队第 462 轰炸机大队第 768、769、770 轰炸机中队第 468 轰炸机大队第 792、793、794 轰炸机大队第 73 轰炸机联队——组建于 1944 年 10 月第 497 轰炸机大队第 869、870、871 轰炸机中队第 498 轰炸机大队第 873、874、875 轰炸机中队第 499 轰炸机大队第 877、878、879 轰炸机中队第 500 轰炸机大队第 881、882、873 轰炸机大队第 313 轰炸机联队——组建于 1944 年 1 月第 6 轰炸机大队第 24、39、40 轰炸机中队第 9 轰炸机大队第 1、5、99 轰炸机中队第 504 轰炸机大队第 398、421、680 轰炸机中队——680 中队于 1945 年 6 月参战第 505 轰炸机大队第 482、483、484 轰炸机大队第 314 轰炸机联队——组建于 1945 年 2 月第 19 轰炸机大队第 28、30、93 轰炸机中队第 29 轰炸机大队第 6、43、52 轰炸机中队第 39 轰炸机大队第 60、61、62 轰炸机中队第 330 轰炸机大队第 457、458、459 轰炸机大队第 315 轰炸机联队——组建于 1944 年 6-7 月第 16 轰炸机大队第 15、16、17 轰炸机中队第 331 轰炸机大队第 355、356、357 轰炸机中队第 501 轰炸机大队第 21、41、485 轰炸机中队第 502 轰炸机大队第 402、411、430 轰炸机中队第 509 混成大队（原子弹）——成立于 1945 年 7 月第393轰炸机中队
1933 年 9 月 12 日，流亡英国的匈牙利物理学家利奥.西拉德在穿过伦敦街道时突然产生了核裂变的灵感。
在获悉德国开始核裂变研究之后，西拉德说服阿尔伯特.爱因斯坦给罗斯福总统写了那封著名的信，敦促美国制造原子弹。于是美国开始了名为曼哈顿计划的绝密原子弹发展计划。
爱因斯坦和西拉德
在 1939 年 8 月 2 日爱因斯坦给总统的信中，爱因斯坦说原子弹恐怕太重而不适于使用飞机投放。但军方评估表明，B-29 的载弹量恰好合适原子弹，1943 年 9 月 B-29 被选为原子弹载机。此时科学家们也无法确定原子弹的最终外形，所以 B-29 弹舱内安装了可以调节的 H 形桁架和原子弹装载释放系统。
1944 年 2 月 28 日，B-29 在加州慕洛克（Muroc）机场（后来的爱德华兹空军基地）进行了原子弹模拟投放测试，根据测试结果又为这架 B-29 安装了全新炸弹避震悬吊系统。6 月重新开始投弹测试，之后军方与内布拉斯加州奥马哈市的一家公司签订了改装合同，到八月之前，已经有 46 架 B-29 具有了原子弹投放能力。
曼哈顿计划研制的原子弹有两种，裂变材料分别使用铀 235 和钚 239。其中铀弹命名为“小男孩”，长 3.048 米，直径 0.7 米，重 4 吨。“小男孩”是枪触发式裂变弹，内部有一个长管，一头是铀 235 球体和中子发生器，另一头是子弹大小的一块铀 235。气压传感器确定合适的起爆高度，爆破装置点火，将铀 235 子弹推入枪管内撞向球体和中子发生器，引发裂变反应。
左侧的铀弹“小男孩”及右侧的钚弹“胖子”
钚弹命名为“胖子”，直径 1.524 米，长 3.25 米，重 4.5 吨，比“小男孩”胖了一圈。“胖子”是内爆触发式裂变弹，这种内爆装置由一个铀 235 球体反射层和被高效爆炸装置环绕的钚 239 核心组成。爆炸装置点火后产生的冲击波压缩核心开始裂变反应。
与此同时，B-29 和轰炸机的机组人员的训练也再紧张进行。这项特别机组训练计划由保罗.W. 提贝兹上校指挥，提贝兹曾在欧洲和北非飞过 B-17，具有丰富的经验，并且直接参与了 B-29 的试飞工作。1944 年 9 月，提贝兹上校成为在犹他州温都华（wendover）新组建的第 509 混成大队指挥官，该大队只有一个轰炸机中队——第 393 中队，中队指挥官查尔斯.W.斯韦尼少校。第 509 混成团是一个完全自治的单位，拥有独立的运输、维修、后勤、通讯和警卫部队。由于曼哈坦计划的高度机密性，大队的官兵并不知道他们即将执行的任务。
1945 年春，第 509 混成大队派驻马里亚纳，并隶属于第 21 轰炸机司令部。7 月，509 大队的轰炸机与第 313 轰炸机联队一道部署在提尼安岛的北部机场。509 大队的轰炸机中有部分装备了寇蒂斯电动可逆桨螺旋桨，可以减少降落距离，另外这种螺旋桨桨叶的根部加宽，可以增加进入 R-3350 发动机的冷却气流。
抵达提尼安岛的“伊诺拉.盖伊”号
1945 年 7 月 16 日美国在新墨西哥州的阿拉莫戈多（Alamogordo）沙漠进行了人类历史上首次的核爆炸。刚接任总统的杜鲁门便在波茨坦会议上向斯大林吹嘘自己有巨大威力的炸弹，对方却全无反应，英国首相丘吉尔认为他根本听不懂。其实，斯大林比杜鲁门更早知道“曼哈顿计划”，苏联的同类研究也在 1943 年展开，核竞赛早已秘密开始。7 月 26 日，中美英苏发布了敦促日本无条件投降的波兹坦公报。
之前展出的“伊诺拉.盖伊”的机身段和螺旋桨，注意桨叶根部加宽的部分
美国政府已经决定在日本使用原子弹，这样将避免进行登陆战至少 50 万的巨大伤亡。7 月 24 日，太平洋战略航空军司令卡尔.A.斯帕茨被授权只要天气允许就使用 509 大队进行核攻击。首批目标定为广岛、小仓、新泻和长崎。7 月 31 日杜鲁门总统从波兹坦传来行动信号。