主条目：广岛市原子弹爆炸
广岛概况
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艾诺拉·盖伊号执行投掷小男孩原子弹的任务
广岛是日本重要的工业及军事中心，有一些军事设施就位于广岛附近，包含负责防御日本南部的畑俊六第二陆军总部[50]。他可以指挥的军队约有400,000人，大部分驻防在盟军计划登陆的九州[51]。同时第59军的总部也位于广岛，刚成立的第224师大部分也在这里。广岛的对空防御系统包括以5个7-8厘米高射炮炮台[52]。
广岛是一个小型的日军补给及物流基地，也是一个军队的通讯、存储中心与集结区域。这是其中几个美国故意不执行轰炸的城市之一，为了清楚的衡量原子弹造成的损害[53]。
市中心有几个钢筋混凝土建筑物及较松散的建筑物，市中心以外则是拥挤的日本木造房屋。几个较大的工厂位在靠近城市的郊区，屋顶由木材建造而成，许多木造房屋分布在工业建筑周围。所以广岛很容易受到火灾破坏[54]。
广岛的人口在第二次世界大战早期达到巅峰，人口超过381,000人。原子弹轰炸前，广岛的人口在稳定下降中，因为日本政府下令疏散城市人口。在原子弹轰炸的时候，广岛的人口约为340,000-350,000人[55]。
投掷原子弹
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广岛是美军在8月6日第一次原子弹轰炸任务的主要目标，替代目标则是小仓和长崎。393d轰炸中队的B-29艾诺拉·盖伊号从天宁岛北田空军基地起飞，飞行时间约6个小时。艾诺拉·盖伊号与查尔斯·W·斯威尼少校指挥的科学观测机大艺术家号及乔治·马夸特上尉的摄影观测机（当时是无名飞机，后来称为必要之恶号）一同前往日本广岛[37]。
特殊任务第13号，首要目标广岛，1945年8月6日[37][56]
飞机
驾驶员
代号
任务
同花顺号
克劳德·伊萨里（Claude R. Eatherly）少校
酒窝85
天气观测（广岛）
嘉比III号
约翰·A·威尔逊（John A. Wilson）少校
酒窝71
天气观测（小仓）
满堂红号
勒夫·R·泰勒少校
酒窝83
天气观测（长崎）
艾诺拉·盖伊号
保罗·蒂贝茨上校
酒窝82
原子弹运送及投掷
大艺术家号
查尔斯·W·斯威尼少校
酒窝89
搭载观测器材
必要之恶号
乔治·W·马奎特上尉
酒窝91
搭载摄影器材
最高机密号
查尔斯·麦礼上尉
酒窝72
预备机
艾诺拉·盖伊号离开天宁岛后，与另外两架飞机在硫磺岛上空2,440米（8,010英尺）会合，前往日本。飞机抵达广岛上空时高度为9,855米（32,333英尺），目标清晰可见。帕森斯指挥这次任务，他在飞行中固定好原子弹，尽量减少风险。他的助手托马斯陆军少校，在到达目标区域30分钟前进入飞机弹舱，解除安全装置[57]。
大约在美军投掷原子弹一个小时之前，日本的早期预警雷达侦测到一些美国飞机接近日本南部。许多城市发布空袭警报，包括广岛。在接近早上8点的时候，广岛的雷达操作员决定解除空袭警报，认为未来接近广岛的飞机并不多，可能不会超过三架。为了节省燃料及飞机，日本已经决定不拦截小飞机编队。广岛的防空炮台仍在警备状态，但是因为高射炮会造成地面上的伤亡与严重的间接伤害，所有战争中的交战国高射炮炮手通常会避免射击少量的飞机，特别是驻扎在人口众多的市中心或附近。
上午8时9分，艾诺拉·盖伊号的机组人员看到广岛市。上午8时10分，日本雷达捕捉到了B-29侵入广岛市上空的消息。几分钟后，广岛市军管区司令部打算发出空袭警报，但是艾诺拉·盖伊号已经飞到了广岛市上空，高度超过32,200英尺（9,000米）。
小男孩在广岛上空引爆，产生巨大的蕈状云
艾诺拉·盖伊号在上午8时15分投下原子弹，目标是广岛中央太田川上的T字型大桥相生桥，当时飞机高度是31,600英尺（9,700米）。同时飞机立刻改回手动操纵，转个155度角的弯。原子弹在进行43秒的平抛运动后爆炸，艾诺拉·盖伊号在受到爆炸的冲击波影响前已经移动了11.5英里（18.5公里）[58]。
由于侧风的缘故，原子弹偏离瞄准点相生桥约800英尺（240米），在岛医院（日语：島病院）上空600米处引爆[59]。它的爆炸当量为16 ,000吨TNT炸药（67兆焦耳）[60]（U-235制成的武器效率很低，裂变材料只有1.7％[61]）。总破坏半径约1.6公里，11平方公里内发生火灾[62]。美国人估计约有4.7平方英里（12平方公里）的市区被摧毁。日本官员确定69％的建筑物遭到摧毁，6-7％的建筑物受损[63]。
约30％的人口（70,000–80,000人）在原子弹爆炸及产生的暴风中丧生[64]，另外有70,000人受伤[65]。广岛超过90％的医生和93％的护士死亡或受伤，市区受到的伤害最大[66]。
日方反应
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广岛遭到原子弹轰炸前的照片 广岛遭到原子弹轰炸后的照片
日本放送协会在东京的控制操作员注意到广岛站已经停止广播，他试图用另一条电话线重新建立讯号，但是没有成功[67]。大约20分钟后，东京铁路电报中心发现电报已停止工作的地区只限于广岛北部。从城市16公里（9.9英里）内的一些小型铁路站传来非官方且混乱的报告，显示广岛发生了一次可怕的爆炸。这些报告全部送至大日本帝国陆军参谋总部。
军事基地多次试图联络广岛的陆军管制站，但是没有收到任何回应。参谋总部的军官感到疑惑，因为根据他们的了解，当时日本并未发生大规模空袭，广岛也没有储存如此大量的弹药。日本参谋总部的一个年轻军官奉命立即飞往广岛，准备调查当地遭受的损害后返回东京，以便从当地的军民得到可信的资讯。参谋总部的军官普遍认为爆炸并不严重，并只是一个谣言。
年轻军官随后前往广岛。在飞行大约三个小时后，当时距离广岛仍有将近160公里，他和飞行员看到一个因爆炸而产生的巨大云气。广岛军民的遗体正在焚烧。当飞机到达市区上空后，他们的心中充满疑问。他们看到城市仍在燃烧，厚重的烟雾云覆盖整个地区。他们降落在城市的南部，该军官向东京汇报后，立即开始组织救援行动。后来日本派出了物理学家仁科芳雄到现场调查，确认了遭到原子弹攻击。
1945年8月8日，美国报章报导，东京广播电台的广播描述广岛的破坏。盟军听到日本电台广播员说“几乎所有活的东西，包括人类和动物都被烧死”[68]。