Tři dny po náletu na Hirošimu, při němž byla poprvé v dějinách použita atomová puma, svrhli Američané další, ještě ničivější bombu na přístav Nagasaki, město s více než 250 000 obyvateli. Dvacetikilotunovou plutoniovou pumu pojmenovanou Fat Man na cíl svrhl B-29-35-MO sériového čísla 44-27297, nesoucí na přídi identifikační číslo 77 a pojmenování BOCK’S CAR (šlo o letoun F. C. Bocka, který při této příležitosti byl za řízením stroje 89), za jehož řízením byl MAJ. Charles W. Sweeney (jeho B-29-40-MO s/n 44-27353, THE GREAT ARTISTE, nesoucí číslo 89, nesl přístroje zaznamenávající účinky výbuchu — při této činnosti byl použit při obou atomových útocích, šlo o jediný B-29, který byl v okamžiku výbuchu v blízkosti obou cílů). Samotného útoku se zúčastnily, stejně jako v případě Hirošimy, další dvě letadla: šlo o pozorování a měření následků jaderného výbuchu (zmíněný stroj č. 89) a č. 90, s/n 44-27354, který měl pořídit snímky; ten pilotoval J. I. Hopkins (vzhledem ke špatnému počasí se vůbec nedostal na shromaždiště, takže nad cíl ve skutečnosti letěly pouze stroje 77 a 89). Vedle nich se celé operace účastnily dva stroje pro meteorologický průzkum nad oběma předem vybranými cíli (Kokura a Nagasaki; průzkum byl nezbytný, vzhledem k potřebě znát rozsah oblačnosti a dohlednost nad jednotlivými cíli — odhoz pumy měl být proveden pouze za použtí optického zaměřovače Norden, nikoli podle údajů radaru AN/APQ-13), které letěly asi s hodinovým předstihem a při samotném útoku již byly daleko od cíle na zpáteční cestě, a jeden záložní bombardér.

Vzhledem ke kouři a oblačnosti nad primárním cílem Sweeney po třech obletech nad Kokurou stroj obrátil k Nagasaki. Nad ním byla potrhaná oblačnost, takže se nepodařilo nalézt předem vybraný cílový objekt. Bombometčík Kermit Beahan pumu zaměřil vizuálně díky díře v mracích — ta ovšem explodovala nad údolím Urakami, téměř 3 km od plánovaného zaměřovacího bodu. Výbuch i tak zničil několik velkých průmyslových podniků (ocelárnu a zbrojovku firmy Mitsubishi jižně od epicentra a vojenský arzenál ležící severně od místa výbuchu), ale značná část města byla ochráněna okolními kopci (k tomu by ale ovšem samozřejmě došlo, vzhledem k členitému terénu, i při odhození pumy přesně na předem určený zaměřovací bod). I tak ovšem bylo zničeno nějakých 3,75 km² zastavěné plochy, což představovalo 43,9 % městské zástavby. Vzhledem k velkému množství totálně nasazených korejských dělníků není přesně znám počet civilních obětí (odhady se velmi různí, od 22 000 do 70 000 — nejpravděpodobnější odhady mluví o asi čtyřiceti tisících mrtvých, bezprostředně zabitých výbuchem). V tom je zahrnuto i nejméně 150 japonských vojáků. Následně zahynuly ještě desetitisíce lidí v důsledku zranění a ozáření.