由于日本官方反应平静，美国觉得有必要进行第二次原子弹轰炸。钚弹“胖子”装载进了“伯克之车”号8-29轰炸机。此次轰炸的主要目标是小仓兵工厂，长崎是备选目标。
8月9日，“伯克之车”号载着原子弹起飞，由于小仓兵工厂被前一天轰炸八幡产生的烟雾笼罩，投弹手在三次盘旋经过时都无法瞄准，目标只能转向备选的长崎。长崎上空也有云层覆盖，但在8-29第二次通过时投弹手终于在两块云层之间的缝隙中发现目标，上午11时整，“胖子”投放在长崎上空，爆炸当量相当于2，2万吨TNT，有3.5万人在爆炸瞬间死去。
两颗原子弹所使用的原料和工作原理完全不同。“小男孩”和“胖子”只有两个相似之处：一个是它们同样采取分三个步骤的引爆系统；另外一个就是同样能带来一场浩劫。
“小男孩”以铀235为原料，长3 048米，直径0 7米，重4Ⅱ屯。“小男孩”是枪触发式裂变弹，内部有一个长管，一头是铀235球体和中子发生器，另一头是子弹大小的一块铀235原料。气压传感器确定合适的起爆高度，爆破装置点火，将铀235子弹推入枪管内撞向球体和中子发生器，引发裂变反应。
而“胖子”的威力来自于钚239，它直径1. 524米，长3. 25米，重4 5吨，比“小男孩”胖了一圈。“胖子”是内爆触发式裂变弹，它的内爆装置由一个铀235球体反射层和被高效爆炸装置环绕的钚239核心组成。复眼般排列的爆炸装置点火后，产生的冲击波压缩核心开始裂变反应。
尽管“胖子”的威力大于“小男孩”，但长崎三面环山，而且爆炸地点相对离市区较远，所以损失反而小于广岛。
核弹爆炸后发出的高温和引发的大火是最具杀伤力的武器，它们导致的伤亡和建筑物的损毁要超过爆炸产生的冲击波。
在广岛，热浪在冲击平原上任意肆虐．足迹到处所有房舍都不能幸免。大量建筑物同时燃烧，热空气上升，在建筑之间产生了真空，随之引起了龙卷风一般的火焰风暴。火势还顺着城市的供电线路和供暖管道的包裹层蔓延，广岛当时共有9万座大小建筑，有6万2干座在大火中化为灰烬。原子弹爆炸的瞬间还几乎完全摧毁了广岛的一切医疗设施，这让数万伤员无法得到救治。广岛本地一共有55家医院，52家在爆炸中被毁：一共有150名医生，65人在爆炸中死去，剩下的也都身受重伤。
长崎稍稍幸运__些，因为地处山区，绵延的山脉又把城市生活区和军事工业区分割开来，在这里并没有出现火焰风暴，但原子弹爆炸中心附近方圆几公里内的木质结构建筑还是没能逃过焚毁的命运。5万2千户民居中有1万1千户被大火烧毁。
对这场灾难最触目惊心的记录并不是肢解的建筑，也不是有些已经死去、有些却依然活着的烧焦人们，而是那些到处留下的人影。
在零号地区附近的墙上和地面上，留着许多人形的黑影，仿佛是它们的主人死去的太突然，这些影子还来不及消失，即使是在白天，也让人感觉到阵阵寒意。每个人影代表着一个受害者在这里化为了尘埃，原子弹爆炸瞬间产生的高温随着光芒一起辐射出来，附近任何生物都在瞬间气化，被他们挡住的那部分地面或墙体承受的温度也就没有周围部分高，颜色也就有所不同，死者因此留下了自己的影子。
在爆炸地点附近有一所中学，爆炸时共有150名学生在室外活动，他们全在自己的影子中化为灰烬。来到爆炸现场的物理学家们根据影子的长度和角度很快就推算出原子弹爆炸时的具体位黄。
两枚原子弹用人类无法想象的威力把广岛和长崎从军事工业重镇变为两处焦土。所有幸存者和来到这两个地方的人，都无法相信这是人类的力量所为。
日本核能研究领域的权威仁科芳雄教授乘坐的飞机刚刚来到广岛上空，他就已然确定，“除了原子弹，没有什么武器有这样的破坏力。”而在地面上，科学家仅仅测量了已经变成废墟的城区的面积，就已经确定，人类认识到原子核蕴藏的惊人能量之后，终于还是轮到了日本人首先来体验它们的威力。
为了准确核实这两颗原子弹的爆炸威力，在日本核物理学者的带领下，大批日本科学家和工程师不顾核辐射的危险，来到这两片废墟。他们经过实地考察和测量，发现爆炸产生的冲击波压力与海啸相当。除了那些特别坚固的钢筋混凝土建筑外，其他建筑几乎全部倒塌了。在零号地区附近2公里范围内的木结构建筑全部烧成了灰，在两倍于此的距离之外，红外线把木头电线杆变成了焦碳。
即使在爆炸地点几公里之外．原子弹产生的破坏力也毫不逊于常规炸弹袭击的威力。这些科学家 看到整个城市就像被一个巨大的压路机一点点碾碎一样。但他们丝毫不会怀疑这两个城市都是在一瞬间被一颗炸弹彻底摧毁的．因为能找到的所有钟表都停止在同一个时间。
这两次轰炸当然也实现了美军之前确定的战略目标，驻扎在广岛的日本第二军全军覆没，而设立在长崎的日本三菱军工厂则只剩下一团扭曲的废铁。
“小男孩”爆炸直接造成14万多人死亡，另外有几十万人受到幅射病的折磨。如果加上因幅射病死亡的人数，那么“小男孩”共杀死32 8万广岛居民中的23万，而“胖子”一共诰成7万人死亡。