1945年8月6日早晨8時整，3架B-29美機又從高空進入廣島上空。這時很多廣島市民並未進入防空洞，而是在仰望美機。在此以前，B-29已連續數天飛臨日本領空進行訓練，但這一次的3架飛機中，有一架已經裝上了一顆5噸重的原子彈。此時正奉命來轟炸廣島。
9點14分17秒，那架裝載著原子彈的美機上的視準儀對準了廣島一座橋的正中時，自動裝置被打開了。60秒種後，原子彈從打開的艙門落入空中。這時飛機作了一個155°的轉彎，俯衝下來；一瞬間，飛行高度下降了300多米。這樣做是為了盡量遠離爆炸地點。45秒種後，原子彈在離地600米空中爆炸，立即發出令人眼花目眩的強烈的白色閃光，廣島市中心上空隨即發生震耳欲聾的大爆炸。頃刻之間，城市突然卷起巨大的蘑菇狀煙雲，接著便豎起幾百根火柱，廣島市馬上淪為焦熱的火海。
原子彈爆炸的強烈光波，使成千上萬人雙目失明；10億度的高溫，把一切都化為灰燼；放射雨使一些人在以後20年中緩慢地走向死亡；衝擊波形成的狂風，又把所有的建築物摧毀殆盡。處在爆心極點影響下的人和物，像原子分離那樣分崩離析。離中心遠一點的地方，可以看到在一霎那間被燒毀的男人和女人及兒童的殘骸。更遠一些的地方，有些人雖僥幸還活著，但不是被嚴重燒傷，就是雙目被燒成兩個窟窿。在16公裏以外的地方，人們仍然可以感到悶熱的氣流。
當時廣島人口為34萬多人，靠近爆炸中心的人大部分死亡，當日死者計8.8萬餘人，負傷和失蹤的為5.1萬餘人；全市7.6萬幢建築物全被毀壞的有4.8萬幢，嚴重毀壞的有2.2萬幢。
但是，廣島的悲劇並未使日本立即同意接受波茨坦最後通牒，即無條件投降。他們竭力掩蓋廣島事實真相，把希望寄托在蘇聯的調停上。但8月8日，日本從蘇聯領導人那裏得到的回答是：日本仍在繼續進行戰爭，拒絕接受《波茨坦公告》，因此，日本政府請求蘇聯調停的建議已失去一切根據。蘇聯政府遵守對聯合國的義務，接受聯合國的要求，宣布從8月9日起對日宣戰。就在蘇聯出兵這天的上午11時30分，美國又在日本長崎投下第二顆原子彈。長崎全城27萬人，當日便死去6萬餘人，從而釀成了廣島以來的又一次悲劇。