上午8时，雷达又发现两架Ｂ29轰炸机飞来，即以无线电广播发出警戒警报，说敌机好像是执行侦察任务的。人们以为飞机会像上次一样盘旋几圈就会离去，都照常进行各自的工作与活动。
这时，飞机以超高度飞入市区上空，人们觉得不会遭到轰炸，均未进入防空壕。有的人还怀着好奇心，看着那越来越小的飞机。
突然，一架飞机投下了一个降落伞。那顶降落伞在下落一段高度时，伞下的悬垂物发出了强烈眩目的白色闪光，在睛空中爆炸，时间大约是8时15分。
刹那间，一个仿佛从太阳分离出来的、直径约80米的巨大火球悬在市区上空，强光照射到150公里之遥，霹雳般的巨响传出15公里之外。紧接着，市区腾起大火，被爆炸粉碎的建筑物和人的尸体碎片，随着巨大的烟柱冲天而起，然后向四周散开，形成一朵高耸入云的蘑菇状云团。
这团烈焰腾腾的蘑菇状烟云下是一片真空，冷空气从四面八方聚拢而来，形成时速为50公里左右的狂风，吹得大火越烧越烈。在这团烈焰的滚滚气浪周围，所有的生物都被烤焦，燃烧的建筑物形成一片火海，将广岛市区变成了灼热的地狱。
随后，由烟尘织成的垂幕自空而降，笼罩着整个广岛，被爆炸的气浪推向空中的尘埃雨点般落下。在大火的边缘，一股股旋风摇撼着尚未倒下的树木，把地面搅得混沌一片。
到日落以前，广岛市区几乎全部变成了黑烟缭绕的废墟，呈现出人类有史以来从未有过的惨绝人寰的景象。许多倒塌的建筑物仍燃着黑红的余烬。在接近爆炸中心地区，市民大部分被炸死，到处躺着残缺不全或烧焦的尸体。流经市中心的三条河道被死尸充塞，那些死难者大多是为了淹灭身上的烈火而跳入河中的。一些被烧伤的人，遍体焦黑，或鼓起水泡，或浑身挂着一条条炙焦而脱落的暗灰色皮肤；伤势较轻的人在这个人间地狱中蹒跚徘徊，寻找亲人；伤势重的人则躺在颓垣断壁下或死尸堆中痛苦地呻吟。
据统计，这颗爆炸当量为两万吨TNT的原子弹，使78000余人丧生，51000余人负伤或不知去向。被毁建筑物总数为76300余幢，其中48000幢全毁，22178幢半毁。罹难人数达176900余人。
造成这一空前灾难的全过程，前后仅用了9秒钟！
同月9日上午10时30分，美国空军又在长崎投下了第二颗原子弹。 拥有27万人口的长崎，在这次爆炸中死亡23700余人。
日本方面从美国战俘口中了解到有关原子弹的性能及美国现存数量的情报，更令日本军政界首脑恐怖震惊：美国尚有一百颗原子弹，并且每月能造出3颗！
其实这是美国战俘的夸张和威吓，美国当时仅有两颗原子弹，已投到广岛和长崎，而制造效率也极其低缓。
于美国第二颗原子弹在长崎爆炸之前数小时，也即9日零点，苏联突然对日本宣战。
当日本驻莫斯科大使佐滕接到苏联外交部部长莫洛托夫的宣战通告时，苏联红军已势如破竹般从东、北、西三个方面突破伪满洲国国境，向日本关东军大举进攻。同时，日本的南库页岛也受到苏军的攻击。
