死亡人数无法精确地估计，因为市政府的所有记录已经随原子弹爆炸蒸发，但是估计有10万人瞬间死于大爆炸中，而没有死亡的人也被烧得面目全非。有些人五官尽失，走起路来形同僵尸，他们将手臂伸展开来，以免烧焦的皮肤和身体摩擦。有些人的眼球在眼眶中熔化了，因此盲目地摸索着。因为淡色衣物会反射热量而深色会吸收热量，有些受难者的肌肉上烙印着自己衣服的图样。另有14万人因为核辐射，注定将慢性死亡。
针对疾病及伤患，能救助的少之又少。医院里伤患大爆满，但是半数以上的医师和几乎所有的护士都遇难了。那些残存下来的本身也受了重伤，只剩下少数医护人员留下来尽其所能协助受害者，并记录新疾病的效应。
在这一切上方的是“安诺拉·盖伊号”的机组乘员。副驾驶罗伯特·路易斯上尉在飞行任务日志上敘述他的经历：“那阵闪光很吓人……这无疑是人类所见过的最大的爆炸。我确定所有机组乘员所感受到的这次体验，不是任何人所能想像的。这似乎难以理解。只是我们到底杀了多少人啊?我坦承有种笔墨难以形容的感觉，或者我可以说‘天啊!我们到底做了什么?’如果我会活100年，我永远忘不了这几分钟。”
弗朗西斯·马伯特是B-29超级空中堡垒的一位工程师，那天上午他的任务是为“安诺拉·盖伊号”引开敌人的火力，他回忆道，甚至离目标32千米远都可以看见及感受到爆炸。根据路易斯上尉的描述，“甚至一个半小时后距离目标644千米处”，仍然可以看见蘑菇云。
美国等待日本人投降的消息。马歇尔将军后来记录道：“我们没有考虑到的是：这次破坏是如此的彻底，东京可能需要相当长的时间才能够得知爆炸的实际真相。”
如果不是另一桩气象事件，或许东京会有时间接收并消化有关广岛命运的消息。由于日本并未立即宣布投降，美国开始准备第二次原子弹示威。这次轰炸预计在8月11日进行，但是气象报告指出，到时候坏天气会袭击日本。这项行动因此提前至8月9日。
8月8日，第二颗名叫“胖子”的原子弹被放入了一架名为“伯克之车”的B-29轰炸机弹仓内。8月9日凌晨3点47分，驾驶员查尔斯·史维尼少校驾机起飞，飞往拥有重要武器兵工厂和日本钢铁大厂的小仓市。史维尼少校在第二次大战期间还不曾针对敌军目标区投掷过炸弹，而且事实上，他一生也只投过一颗炸弹。不过，他曾经参与广岛任务。当 “安诺拉·盖伊号”投下第一颗原子弹时，史维尼少校的飞机“伟大艺人号”尾随其后，投下了一系列被设计用来搜集科学资料的感应器。
在前一天，小仓市已经遭过传统武器攻击。居民没有料到这次造成了2000人丧生的攻击，实际上却挽救了这座城市免于更大的梦魇。
一架飞在“伯克之车”前方的气象侦察机回报，可以看见目标了。不过，轰炸机到达时，前一天攻击所造成的火灾仍旧冒着烟，加上大量云层覆盖，无法看清目标。云层密布的天空让史维尼无法看见目标。“伯克之车”开着炸弹门，在小仓市上空盘旋了3次。飞机的燃料快要用尽，因此史维尼决定转向备用目标——长崎。
在这个时间点上，史维尼的燃料储备量非常重要，他只有一次投弹的机会。仿佛这次任务可能必须流产似的，因为当天长崎上空也是云层密布。然后，10点58分，投弹手在云层中的裂隙中找到了目标，然后投下了那颗原子弹。
《纽约时报》的威廉?劳伦斯亲眼目睹蘑菇云升空。同行飞机上的观察家“看见了巨大的火球仿佛从地球的内部升起，向前喷出一圈圈巨大的白烟……我们看见它朝上射出，像来自地球而不是外太空的流星”。
“胖子”这颗原子弹的威力胜过“小男孩”，而且它对这座城市造成的破坏性更大。浦上河两侧的山丘使得这座港口及历史区免受原子弹爆炸的冲击波的影响，但是爆炸中心点的山丘却对浦上河谷造成极大的破坏。估计1 2万栋建筑因为这次爆炸及后续引发的火灾摧毁。“胖子”释出难以置信的热量，大约3982℃。大爆炸所产生的闪光投射出阴影，而极度的热量将那些阴影蚀刻在墙壁和建筑物上。烧焦的尸体漂浮在河流里。
一名长崎的幸存者的描述已成为美国史密森尼博物院陈列品的一部分，而且此段描述后来出版成书，他回忆道：“尸体堆得好高，高到无法再多堆另一具尸体。无论死活，无论男女，在堆积如山的尸体中根本分辨不出来……他们的头发被烧得卷曲皱起，衣服破破烂烂，然后某种漆黑的物质，像沥青，紧紧黏在他们的头颅和身体上。”
另一名生还者回忆，他看见一名男孩，呈跑步姿势凝固住了，像一座雕像。他身旁的树上有只死猫。“它的尸体包裹在烧焦且卷曲的毛皮中。它的尸体没有碎裂，也没有从树上掉下来，它用那永远闭着的眼睛望向男孩。”
官方公布的长崎的死亡人数大约是7万人。每年的这一天，小仓市市民都会聚会，颂扬使那么多人逃过一劫的云层。
