美国海军巡洋舰印第安那波里斯号在 7 月 26 日将“小男孩”的枪管和子弹组件运送到提尼安岛，“小男孩”铀靶组件的三个部分和“胖子”的引信和钚核由 C-54 机队运抵提尼安。“胖子”的引爆装置则由三架 B-29 从新墨西哥州的科特兰（Kirtland）机场运来，8 月 2 日原子弹全部运抵马里亚纳。
7 月 31 日，“小男孩”准备完毕。8 月 2 日，李梅将军的参谋部将广岛定为主要目标，小仓和长崎是备选目标。广岛被选中的原因是因为情报显示此处没有盟军战俘。
轰炸定在 8 月 6 日进行，提贝兹上校将亲自驾驶 B-29 投放原子弹。在任务前一天，他的飞机（马丁奥马哈工厂制造的 B-29-45-MO，序列号 44-86292）在机鼻漆上了 Enola Gay 的字样——提贝兹的母亲的名字。
提贝兹上校驾驶“伊诺拉.盖伊”号准备起飞轰炸广岛
三架 F-13A 侦察机在轰炸之前先行起飞侦察了作为主要目标和备选目标的三个城市的气象情况。一个小时之后，提贝兹的“伊诺拉.盖伊”号和两架伴随观测的 B-29 飞向广岛。在飞往日本的途中，提贝兹收到了先行起飞的“同花顺”（Straight Flush）号 F-13A 的克劳德.埃特里少校发来的无线电，报告广岛上空晴朗适合目视轰炸，海军武器专家威廉.帕森斯上尉随即将钻入炸弹舱进行原子弹的最后装配工作，原子弹处于待发状态。之所以这样做是出于安全考虑，如果在地面就将原子弹装配好，起飞时发生事故将会摧毁整个提尼安岛。
上午 8:15，“伊诺拉.盖伊”号在广岛上空 9,906 米投下了“小男孩”，原子弹上的引信爆炸高度设置在 600 米，在接下来的爆炸中，一座城市消失在闪光中……。
杜鲁门总统宣布对日本使用了原子弹。最初日本人并不知道到底发生了什么，东京与广岛之间通信不畅，无法了解情况。8 月 8 日下午，外相东乡在皇宫地下室晋见天皇，奏陈美国使用原子弹，但原子弹给日本统治上层阶级带来的影响并不像美国预期的那样强烈，甚至铃木首相原计划召开的最高战争指导会议因故也没举行。此时日本将结束战争的希望寄托在苏联，日本政府已指示驻苏大使佐藤与苏联外交部长莫洛托夫会谈，希望苏联出面斡旋，争取比较体面的投降。而日本国内由于严密的新闻封锁，广大人民对于原子弹也并不是知道的很清楚，所以造成的恐慌也没有预计的那样强烈与广泛。
在日本政府举棋不定之时，美国并没有停止 B-29 常规轰炸。来自第 58、73、313 轰炸机联队的 B-29 在第二天轰炸了封川兵工厂。8 月 7 日夜第 525 轰炸机大队的 B-29 在数个港口 171 吨水雷。8 月 8 日，第 58、73、313 联队的 B-29 使用燃烧弹轰炸了九州八幡市，同时第 314 队在轰炸了东京的一个工业区。日本防空部队仍然进行了抵抗，在八幡击落 4 架，东京击落 3 架 B-29。
由于日本官方反应平静，美国觉得有必要进行第二次原子弹轰炸。钚弹“胖子”装载进了“伯克之车”（Bock's Car）号 B-29（马丁奥马哈工厂制造的 B-29-35-MO，序列号 44-27297），以机长弗雷德里克.C.伯克的名字命名。但是在这次任务中，“伯克之车”由第 393 中队指挥官斯韦尼少校驾驶，伯克上尉飞另外一架观测机，此次的主要目标是小仓兵工厂，长崎是备选目标。
“伯克之车”号
8 月 9 日，“伯克之车”号载着原子弹起飞，由于小仓兵工厂被前一天轰炸八幡所产生的烟雾所笼罩，投弹手在三次通过时都无法找到瞄准，斯韦尼只能转向备选目标长崎。长崎上空也有云层覆盖，但在 B-29 第二次通过目标时投弹手终于在两块云之间的缝隙中发现目标，上午 11:00，“胖子”被投放，爆炸当量 2 万 2 千吨 TNT，有 35,000 日本人在瞬间死去。
返航途中，“伯克之车”号由于一个燃油泵故障在冲绳降落，在加了一些油后飞回提尼安。
同一天苏联宣布对日作战，出兵东三省。天皇授意内阁接受波兹坦公告无条件投降，但军队一些狂热的法西斯分子甚至考虑进行政变阻止投降。此时 B-29 并没有停止轰炸，8 月 14 日，有记录表明有 804 架 B-29 轰炸了日本各处的目标。8 月 15 日晨，天皇向日本全境广播了投降诏书，大多数日本人在此前从未听过他的声音。
日皇投降广播后，B-29 的所有轰炸都停止了。太平洋战区的大部份 B-29 转而执行救援任务，为在日本、中国、朝鲜境内的数以万计的盟军战俘空投衣食，1,066 架 B-29 执行了 900 次空投任务，154 个集中营约 63,500 名战俘获得了 4,470 吨救援物资。但在拯救行动中也损失了 8 架 B-29 和 77 名人员。
9 月 2 日，日本在东京湾密苏里号战列舰上签字投降，太平洋战争结束。
“伊诺拉.盖伊”号退役后，被赠送给史密森学会（唯一由美国政府资助的半官方性质的博物馆机构），多年后，它被拆解储存在史密森学会位于马里兰州苏特兰市的保罗.盖博（Paul Garber）修复储存基地中。为了纪念原子弹轰炸广岛 50 周年，1995 年 6 月 28 日，“伊诺拉.盖伊”号的前机身和一些部件在华盛顿国家航空航天博物馆展出，98 年展出结束后返回仓库。在是否重新修复组装“伊诺拉.盖伊”号的问题上仍然存在政治来自日本的政治压力。
“伯克之车”退役后一直在俄亥俄州代顿市莱特-帕特森空军基地的美国空军博物馆展出。
美国空军博物馆的“伯克之车”号
附录：本文完成之后“伊诺拉.盖伊”号复原最新进展
中新网 8 月 19 日电 据路透社消息，曾经于二战期间向日本广岛投下原子弹的美军 B-29 型“埃诺拉·盖伊”号（ENOLA GAY）轰炸机将在史密森航空航天博物馆展出。
史密森航空航天博物馆星期一（18 日）在杜勒斯国际机场附近一个展览中心的巨大机库中揭开了这架修复一新的 B-29 轰炸机的面纱。
博物馆馆长戴利说：“由于一些天才男女的杰出工作，未来的人们才能够亲身感受这架二战飞机无可比拟的重要性，才能亲身感受人类历史。希望我们能从它身上学到什么。”
“埃诺拉·盖伊”号于 1945 年 8 月 6 日向日本广岛市投下了一颗绰号为“小男孩”的原子弹，造成14万多人死亡，几十万人受到幅射病的折磨。如果加上因幅射病死亡的人，那么“小男孩”杀死的人数高达 23 万。