7月7日凌晨2時，一架加長型天狼戰略轟炸機在數十架藍翔戰鬥機的掩護下，在夜空中靜靜地降落在燈火通明的沖繩機場。飛機一降落就立即被數百名機場人員團團圍住，並護送其緩緩進入特製的機庫中。
這架編號爲天狼1號的戰略轟炸機，只攜帶了一枚炸彈，但這枚重3.6噸的炸彈，威力無窮。不到2個小時，第二架編號爲天狼2號的戰略轟炸機也攜帶着同樣的炸彈降落到屋久機場。爲了以防萬一，在前一架戰略轟炸機出現故障無法投彈時，第二架飛機將完成轟炸任務。
對東京的核爆定在了當天上午7時。在這個時間段，東京市民基本上都在準備或進行早餐，所有的人及大部分的職能部門都還未進入工作狀態。而且此時的天色已經放明，能見度相當不錯。在這一時段進行轟炸，能夠造成最大程度的傷亡。
原本軍事統帥部制訂的計劃是在夜間轟炸，效果更佳，但空軍經過試驗後，發現夜間的轟炸誤差較大，至少超過了1000米，因此改在了早晨。炸點也選擇在了天皇皇宮和首相府官邸一帶。由於前一段時間持久的轟炸，使得使東京市民對轟炸早已經變得麻木了，面對着長期的死亡威脅，許多人都產生了消極厭世的思想，每天依舊保持着原先的作息時間，對於天上隨時可能掉下來的炸彈誰都難以預料，要是該着被炸死，即使整日躲在家裡也難逃一劫，況且東京的防空洞都是爲富人準備的，目前爲了得到在防空洞棲居一晚，每個人要付出至少一百萬日元的代價，但是對於所有富人們來說，一百萬買一條性命，怎麼算都是值得的。
當然，在此期間，也不斷地派遣氣象偵察機在東京上空飛行偵察，已最大程度的確保此次任務能夠順利完成。東京在關東平原南端，地形比較平坦，地面參照物也容易找到。這座城市都大體上位於日本列島的中心，其東部以江戶川爲界與千葉縣相連，西部以山地爲界與山梨縣相接，南部以多摩川爲界與神奈川縣相連，北部則與埼玉縣相接。城市東部就是佔地面積最大的建築羣，天皇皇宮，皇宮後面隔着一條街道就是首相府官邸。
凌晨3時，沖繩機場的中國工程師們對原子彈進行了最後一次檢測，然後小心翼翼地將其重新裝入彈倉內。投彈手手中拿着鑰匙，也小心地爬上了飛機。他將在最後時刻用鑰匙打開原子彈的觸發裝置，接着機長及副駕駛、導航員、各個方向的炮手、機械師等也紛紛爬上了飛機，地勤人員於凌晨4時正式結束了對飛機的各項檢測、燃料加註等工作，凌晨4時30分，這架天狼戰略轟炸機緩緩滑入跑道.稍作準備後並接到塔臺准許起飛的命令後，飛行員立即打開了渦輪加力器，將發動機地功率增至最大.4臺3000馬力的發動機開始了嘶吼，5葉巨大的變矩螺旋槳高速轉動，拉着飛機逐漸加速.龐大地機身在滑跑了約1300米後，才搖搖晃晃地慢慢飛了起來.至此，基地司令員才長長地出了口氣，終於不用擔心那枚該死的原子彈把整個基地轟上天去。
從沖繩到東京，這條精心選擇過的空中線路長約1150公里，飛機需要飛行一小時50分鐘左右的時間。沿途除了空軍的40架藍翔戰鬥機全程護航外，上百架艦載戰鬥機也將整個航線的空域全部封鎖。
機羣在5000米高空沿着日向灘東部向東北飛去，在土佐灣進入第一個轉彎點，然後繞過四國島飛向紀伊水道，接着經過大阪灣後進入陸地上空。雖然中間有幾處基地的日軍瞭望發現了機羣，但他們卻無法起飛戰鬥機進行攔截，現在全日本都算下來能夠飛行的飛機已經沒有多少架了，即使馬上起飛無論在飛行速度還是高度上都夠不到中國機羣的邊，即使能夠達到火力範圍，也一定會被對方第一時間打下來的，對此日本人最清楚不過了。
6時40分，機羣在高槻上空進入高空雲層，使地面瞭望無法尋找機羣的蹤跡。此時，機長開始降低高度到3000米，並接收地面指揮中心發送的原子彈觸發器密碼，6時50分，密碼覈對後，投彈手用鑰匙打開了觸發並按照機長接收的電文輸入密碼。觸發器上的綠燈一個接一個點亮，直到全部12個綠燈都點亮時，投彈手才放心地蓋上觸發器。氣象飛機的預測非常準確，機羣剛剛穿出雲層就進入到了東京市區的上空。飛機先是斜斜地飛過了桂川，然後在鳥羽、白河、近衛三個天皇的皇陵上空飛過，進入東京的南區。
天色已經相當明亮，能見度很好，機長調整了一下姿態後，向着下京區飛去。剛進入中京區，就找到了筆直的崛川大街，正好在機頭的正下方。航向計算的非常準確。投彈手在接到了機長的命令後，立即打開了炸彈艙艙門，並將眼睛放在了瞄準具上開始瞄準。
7時整，瞄準具上的十字中心對正了天皇皇宮的鬆之閣，投彈手立即按下了投彈按鈕。
形體略成椎體的第一枚原子彈“天威”穩穩的落了下去，不到五秒鐘，彈體尾部便打開了一具減速傘，原子彈開始緩緩地向地面落去。原子彈一投下，機長就立即加足馬力拼命加速並且拉高，他需要在2分鐘內將飛機飛到離炸點10公里以外的地方，以確保飛機的安全。護航的戰鬥機也早在艙門打開時，就四散飛去。尾隨進行跟蹤攝影的轟炸機則保持在15公里外，這架轟炸機的隨機人員將用手中的相機拍攝下原子彈在東京上空爆炸的全部過程。
並且還擔負着收集氣象數據的工作。
此時，數十名日軍的瞭望都奇怪地看着這一幕：一架轟炸機在數十架戰鬥機的護航下飛到城市上空，投下一具降落傘，全部四散加速飛離。雖然他們不知道這是爲什麼，但卻本能地對這具降落傘感到了極度地恐懼。
兩分鐘後，在距離地面400米空中，一團熾烈無比的白光閃過，並且越來越亮，越來越大……
在轟炸機上戴着墨鏡的機組人員，甚至可以清晰的看到原子彈爆炸後的衝擊波外緣，一道灰藍色的光圈迅速向四周漫延，並很快追上了轟炸機，使轟炸機發生了劇烈的顛簸。接着由地面反彈回來的衝擊波也追上了轟炸機，機組人員們再一次緊張的承受了衝擊波的波及。第二道衝擊波過後，機組人員才長長的出了口氣，按照預定的航路返回基地。
蘑菇雲在東京的上空升起，巨大的煙雲不斷的翻滾攀升。
在爆炸後數十秒內。離炸點半徑約1公里區域的所有建築都被強烈的光輻射點燃。接着巨大的衝擊波也將半徑3公里範圍內的所以建築全部摧毀，高溫將整個東京市覆蓋。市內一層層的建築物加大了原子彈爆炸後產生的衝擊波疊加效應，結果造成半徑6公里範圍內幾乎所有的建築被全部夷爲平地。大火在整個東京市區內燃燒，中京區自不用說，許多建築被夷平後，在高溫下化爲玻璃狀物質。接着是新宿和池袋，衝擊波將地面上的一切突出物吹走，並使毗鄰的南區、北區的絕大部分建築燃燒。秋葉原和涉谷的大部分建築也遭到毀滅性的打擊，所有可燃及非可燃物質都燃燒了起來。所有公園、植物園等地也全部燃起了大火。原子彈爆炸的瞬間，便殺死了至少7萬人，11萬人在一天內死亡，5萬人在接下來的一週內死亡，更有近20萬人沒有活過三年，另有20餘萬人終身殘疾。
相對於巨大的人員傷亡，對日本打擊最大的是精神，在東京的市郊，有歷代大部分天皇的皇陵.在其西北部，有衆多天皇陵，這些天皇陵在地勢平緩的桃山山腳，面對着市區，也等於是面對原子彈的爆炸方向，因此無儀例外的被大火席捲燒燬.在東南部的稻荷山山腳，也同樣有六條天皇陵，後崛河天皇陵，孝明天皇陵，仲恭天皇陵，還有剛死去沒幾年的明仁天皇陵等，這些皇陵的命運也與西北角的天皇陵一樣，更慘重的是在南方的鳥羽天皇陵，白河天皇陵和近衛天皇陵，由於沒有建築、山體等遮擋，在爆炸中，直接被高溫和衝擊波完全摧毀。東京在一瞬間變成了死城，連毗鄰的向江戶川也遭到了巨大的火災。
雖然救護部隊以最快的速度進入城區，但卻很快被*了回來。強烈的輻射使許多衝到最前面的人員失去了基本的行動能力，沒有任何防護的救援人員一個接一個地倒下。