9 августа 1945 года, когда в 10:53 по местному времени два бомбардировщика B-29 попали в поле видимости, японцы приняли их за разведчиков и не дали воздушной тревоги. Несколько минут спустя, в 11:00 наблюдательный B-29 сбросил на трех парашютах блок с измерительной аппаратурой, а в 11:02 другой самолет сбросил атомную бомбу «Толстяк». Бомба взорвалась высоко над промышленной долиной Нагасаки, почти на полпути между сталелитейными и оружейными производствами Мицубиси к югу, и торпедным заводом Мицубиси-Ураками к северу. Если бы бомба была сброшена дальше к югу, между деловым и жилым районами, то урон был бы намного больше.

Хотя «Толстяк» был мощнее «Малыша», которого сбросили над Хиросимой, холмистый рельеф района Нагасаки погасил основную часть ударной волны, а многочисленные складки местности помогли жителям избежать и части светового излучения. Люди и животные погибли почти мгновенно на расстоянии до 1 км от эпицентра. Почти все дома в радиусе 2 км были разрушены, и сухие, возгорающиеся материалы, такие как бумага, воспламенялись на расстоянии до 3 км от эпицентра. Из 52.000 зданий в Нагасаки 14.000 были разрушены и ещё 5.400 серьёзно повреждены. В городе не возник огненный смерч, но наблюдались многочисленные локальные пожары.

Количество погибших к концу 1945 года составило от 60.000 до 80.000 человек. По истечении 5 лет, общее количество погибших, с учётом умерших от рака и других долгосрочных воздействий взрыва, превысило 140.000 человек.