在用一颗原子弹轰炸广岛之后，美国又积极地进行了轰炸另外两个目标的准备工作。格罗夫斯在其工作安排中写道：“在洛斯阿拉莫斯‘胖子’(美国内爆式原子弹的代号)所用的钚最后处置完毕后，就用C—54型专机运到提尼安，另外两个‘胖子’所需要的一些其他重要零件，则由两架B—29型飞机运送。”由此可以肯定，美国在对小仓和长崎的轰炸之前，运到提尼安空军基地的是两颗原子弹。
这两颗原子弹是如何投下的呢?
据一些史料记载，8月9日凌晨3点49分，两架B—29轰炸机和两架侦察机从美国提尼安空军基地的跑道上飞快地掠过，向轰炸飞去，当它们到达小仓上空时，天空中阴云翻滚，用肉眼根本看不到目标，结果机长威内斯驾驶飞机，用了45分钟时间在小仓上空来回飞了三次，最终决定放弃轰炸小仓而飞向第二目标长崎，长崎上空同样是云雾重重，但是这一次飞机是不可能带着核弹返回的，于是临时决定采用雷达轰炸，当飞机做好了投弹准备的时候，空中的云雾突然散开了，天空中出现了一个清朗的大洞，轰炸员比汉透过这个大洞，看到了山谷中的一条跑道时，就果断地把两颗核弹投了下去……
事后美国战略轰炸统计局估计，约有万人死亡，6万人受伤。对于这次轰炸，美国方面一直保持沉默，没有做过任何说明和解释，只有格罗夫斯在事后听到伤亡人数时说：“这个数字比我们原来估计的要少得多。”这就证明了美国方面原来估计的数字，是两颗原子弹同时爆炸的死亡数字，而事实上只爆炸了一颗。
当时日本长崎的防空报告准确地记录下了这一情况，日本长崎知事致防空总本部长官、九洲地方总监、西部军管区参谋长的报告写道：“本日10时50分B—29两架，自熊本县天草方向北进，经岛原半岛西部橘湾上空入侵长崎市上空，11时2分投下附有降落伞新型炸弹2个。”
许多人由此认为，原子弹是投下了，但它们落地之后的情况却是许多人都没有想得的：这两颗原子弹中只爆炸了一颗。
由于爆炸的这颗原子弹，偏离目标约2000米，所以较之广岛被害程度极轻，很少发生死亡与倒塌房屋事情。另一颗未爆炸的原子弹，并没有受到损害，接到报告后，日军大本营立即派人将这颗没有爆炸的原子弹严密看管起来。这可谓是天赐良机，日本虽然遭到了美国原子弹的轰炸，但同时也因祸得福，得到了一颗原子弹，如果条件可能，日本也可以造出自己的原子弹。可是日本成为战败国已成定局，而且帝国大学的原子加速器已遭到了美国飞机轰炸的破坏，要制造原子弹已不可能了。后来，日本人从关乎民族利益考虑，决定将原子弹交给苏联。
