Eksplozja o sile około 15 kiloton trotylu, temperaturze 300 000 °C i natężeniu 248 dB nastąpiła o godzinie 8:16:02 na wysokości 580 m, zabijając natychmiast 78 100 mieszkańców i ciężko raniąc 37 424. Za zaginione uznano 13 983 osoby. W wyniku choroby popromiennej w następnych miesiącach i latach tysiące ludzi umierają nadal. Badania nad długoterminowymi, wielopokoleniowymi konsekwencjami są nadal prowadzone wśród ocalałych i ich potomstwa. Takie osoby nazywane są często japońskim słowem hibakusha.
Miasto należało do nielicznych (w tym Kokura i Nagasaki), wybranych jako cele (spośród znacznie dłuższej listy) ze względu na różne czynniki, w tym ukształtowanie terenu. Niecka tworzona przez wzgórza otaczające miasto, z wyjątkiem strony portowej, miała sprzyjać osiągnięciu maksymalnego efektu destrukcyjnego. Ponadto, Hiroszima była miastem, w którym stacjonowało wiele oddziałów wojskowych, mieściła się tam też stocznia Mitsubishi.
Był to pierwszy w historii atak z użyciem broni nuklearnej. Drugi miał miejsce trzy dni później na Nagasaki.