Circa un'ora prima del bombardamento, la rete radar giapponese lanciò un allarme immediato, rilevando l'avvicinamento di un gran numero di velivoli americani diretti nella zona meridionale del Giappone. L'allarme venne diffuso anche attraverso trasmissioni radio in moltissime città del Giappone, e fra queste anche Hiroshima. Gli aerei si avvicinarono alle coste dell'arcipelago giapponese a un'altezza molto elevata.
Poco prima delle 08:00, la stazione radar di Hiroshima stabilì che il numero di velivoli entrati nello spazio aereo giapponese era basso, probabilmente non più di tre, perciò l'allarme aereo venne ridimensionato (il comando militare giapponese infatti aveva deciso, per risparmiare il carburante, di non far alzare in volo i propri aerei per le formazioni aeree americane di piccole dimensioni). I tre aeroplani americani erano i bombardieri Enola Gay, The Great Artiste e un altro aereo, in seguito chiamato Necessary Evil, cioè "Male necessario" (l'unica funzione di questo aereo fu quello di documentare, attraverso una serie di fotografie, gli effetti dell'impiego dell'arma atomica).
Il normale allarme aereo non venne azionato, dato che veniva normalmente attivato solo all'approssimarsi dei bombardieri. Alle 08:14 e 45 secondi, l'Enola Gay sganciò "Little Boy" sul centro di Hiroshima, il sensore altimetrico era tarato per effettuare lo scoppio alla quota di 600 metri dal suolo, dopo 43 secondi di caduta libera. Immediatamente dopo lo sgancio, l'aereo fece una inversione di 178°, prendendo velocità con una picchiata di circa 500 metri e perdendo quota, allontanandosi alla massima velocità possibile data dai 4 motori a elica. L'esplosione si verificò a 580 m dal suolo, con uno scoppio equivalente a 13 chilotoni, uccidendo sul colpo tra le 70 000 e le 80 000 persone. Circa il 90% degli edifici venne completamente raso al suolo. Tutti e 51 i templi della città furono rasi al suolo dalla forza dell'esplosione.