Основной целью второй американской ядерной бомбардировки была Кокура, запасной — Нагасаки.
В 2:47 9 августа американский бомбардировщик B-29 под командованием майора Чарльза Суини, нёсший на борту атомную бомбу, взлетел с острова Тиниан.
В отличие от первой бомбардировки, вторая была сопряжена с многочисленными техническими неполадками. Ещё до взлёта была обнаружена неполадка топливного насоса в одном из запасных баков с горючим. Несмотря на это, экипаж принял решение провести вылет как запланировано.
В 8:10, после выхода к точке рандеву с другими B-29, участвовавшими в вылете, было обнаружено отсутствие одного из них. В течение 40 минут В-29 Суини описывал круги вокруг точки рандеву, но так и не дождался появления отсутствовавшего самолёта. В это же время самолёты-разведчики доложили, что облачность над Кокурой и Нагасаки, хотя и присутствует, всё же позволяет провести бомбометание при визуальном контроле.
В 8:50 В-29, нёсший атомную бомбу, направился к Кокуре, куда и прибыл в 9:20. К этому моменту, однако, над городом наблюдалась уже 70% облачность, что не позволяло провести визуальное бомбометание. После трёх безуспешных заходов на цель, в 10:32 В-29 взял курс на Нагасаки. К этому моменту, из-за неполадки топливного насоса, горючего хватало только на один проход над Нагасаки.
В 10:56 В-29 прибыл к Нагасаки, который, как выяснилось, также был закрыт облаками. Суини нехотя одобрил намного менее точный заход на цель по радару. В последний момент, однако, бомбардир-наводчик капитан Кермит Бихан (англ.) в просвете между облаками заметил силуэт городского стадиона, ориентируясь на который он произвёл сброс атомной бомбы.
Взрыв произошёл в 11:02 местного времени на высоте около 500 метров. Мощность взрыва составила около 21 килотонны.
