7月7日凌晨2时，一架加长型天狼战略轰炸机在数十架蓝翔战斗机的掩护下，在夜空中静静地降落在灯火通明的冲绳机场。飞机一降落就立即被数百名机场人员团团围住，并护送其缓缓进入特制的机库中。
这架编号为天狼1号的战略轰炸机，只携带了一枚炸弹，但这枚重3.6吨的炸弹，威力无穷。不到2个小时，第二架编号为天狼2号的战略轰炸机也携带着同样的炸弹降落到屋久机场。为了以防万一，在前一架战略轰炸机出现故障无法投弹时，第二架飞机将完成轰炸任务。
对东京的核爆定在了当天上午7时。在这个时间段，东京市民基本上都在准备或进行早餐，所有的人及大部分的职能部门都还未进入工作状态。而且此时的天色已经放明，能见度相当不错。在这一时段进行轰炸，能够造成最大程度的伤亡。
原本军事统帅部制订的计划是在夜间轰炸，效果更佳，但空军经过试验后，发现夜间的轰炸误差较大，至少超过了1000米，因此改在了早晨。炸点也选择在了天皇皇宫和首相府官邸一带。由于前一段时间持久的轰炸，使得使东京市民对轰炸早已经变得麻木了，面对着长期的死亡威胁，许多人都产生了消极厌世的思想，每天依旧保持着原先的作息时间，对于天上随时可能掉下来的炸弹谁都难以预料，要是该着被炸死，即使整日躲在家里也难逃一劫，况且东京的防空洞都是为富人准备的，目前为了得到在防空洞栖居一晚，每个人要付出至少一百万日元的代价，但是对于所有富人们来说，一百万买一条性命，怎么算都是值得的。
当然，在此期间，也不断地派遣气象侦察机在东京上空飞行侦察，已最大程度的确保此次任务能够顺利完成。东京在关东平原南端，地形比较平坦，地面参照物也容易找到。这座城市都大体上位于列岛的中心，其东部以江户川为界与千叶县相连，西部以山地为界与山梨县相接，南部以多摩川为界与神奈川县相连，北部则与埼玉县相接。城市东部就是占地面积最大的建筑群，天皇皇宫，皇宫后面隔着一条街道就是首相府官邸。
凌晨3时，冲绳机场的中国工程师们对原子弹进行了最后一次检测，然后小心翼翼地将其重新装入弹仓内。投弹手手中拿着钥匙，也小心地爬上了飞机。他将在最后时刻用钥匙打开原子弹的触发装置，接着机长及副驾驶、导航员、各个方向的炮手、机械师等也纷纷爬上了飞机，地勤人员于凌晨4时正式结束了对飞机的各项检测、燃料加注等工作，凌晨4时30分，这架天狼战略轰炸机缓缓滑入跑道。稍作准备后并接到塔台准许起飞的命令后，飞行员立即打开了涡轮加力器，将发动机地功率增至最大。4台3000马力的发动机开始了嘶吼，5叶巨大的变矩螺旋桨高速转动，拉着飞机逐渐加速。庞大地机身在滑跑了约1300米后，才摇摇晃晃地慢慢飞了起来。至此，基地司令员才长长地出了口气，终于不用担心那枚该死的原子弹把整个基地轰上天去。
从冲绳到东京，这条精心选择过的空中线路长约1150公里，飞机需要飞行一小时50分钟左右的时间。沿途除了空军的40架蓝翔战斗机全程护航外，上百架舰载战斗机也将整个航线的空域全部封锁。
机群在5000米高空沿着日向滩东部向东北飞去，在土佐湾进入第一个转弯点，然后绕过四国岛飞向纪伊水道，接着经过大阪湾后进入陆地上空。虽然中间有几处基地的日军了望发现了机群，但他们却无法起飞战斗机进行拦截，现在全都算下来能够飞行的飞机已经没有多少架了，即使马上起飞无论在飞行速度还是高度上都够不到中国机群的边，即使能够达到火力范围，也一定会被对方第一时间打下来的，对此人最清楚不过了。
6时40分，机群在高槻上空进入高空云层，使地面了望无法寻找机群的踪迹。此时，机长开始降低高度到3000米，并接收地面指挥中心发送的原子弹触发器密码，6时50分，密码核对后，投弹手用钥匙打开了触发并按照机长接收的电文输入密码。触发器上的绿灯一个接一个点亮，直到全部12个绿灯都点亮时，投弹手才放心地盖上触发器。气象飞机的预测非常准确，机群刚刚穿出云层就进入到了东京市区的上空。飞机先是斜斜地飞过了桂川，然后在鸟羽、白河、近卫三个天皇的皇陵上空飞过，进入东京的南区。
天色已经相当明亮，能见度很好，机长调整了一下姿态后，向着下京区飞去。刚进入中京区，就找到了笔直的崛川大街，正好在机头的正下方。航向计算的非常准确。投弹手在接到了机长的命令后，立即打开了炸弹舱舱门，并将眼睛放在了瞄准具上开始瞄准。
7时整，瞄准具上的十字中心对正了天皇皇宫的松之阁，投弹手立即按下了投弹按钮。
形体略成椎体的第一枚原子弹“天威”稳稳的落了下去，不到五秒钟，弹体尾部便打开了一具减速伞，原子弹开始缓缓地向地面落去。原子弹一投下，机长就立即加足马力拼命加速并且拉高，他需要在2分钟内将飞机飞到离炸点10公里以外的地方，以确保飞机的安全。护航的战斗机也早在舱门打开时，就四散飞去。尾随进行跟踪摄影的轰炸机则保持在15公里外，这架轰炸机的随机人员将用手中的相机拍摄下原子弹在东京上空爆炸的全部过程。
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并且还担负着收集气象数据的工作。
此时，数十名日军的了望都奇怪地看着这一幕：一架轰炸机在数十架战斗机的护航下飞到城市上空，投下一具降落伞，全部四散加速飞离。虽然他们不知道这是为什么，但却本能地对这具降落伞感到了极度地恐惧。
两分钟后，在距离地面400米空中，一团炽烈无比的白光闪过，并且越来越亮，越来越大。
在轰炸机上戴着墨镜的机组人员，甚至可以清晰的看到原子弹爆炸后的冲击波外缘，一道灰蓝色的光圈迅速向四周漫延，并很快追上了轰炸机，使轰炸机发生了剧烈的颠簸。接着由地面反弹回来的冲击波也追上了轰炸机，机组人员们再一次紧张的承受了冲击波的波及。第二道冲击波过后，机组人员才长长的出了口气，按照预定的航路返回基地。
蘑菇云在东京的上空升起，巨大的烟云不断的翻滚攀升。
在爆炸后数十秒内。离炸点半径约1公里区域的所有建筑都被强烈的光辐射点燃。接着巨大的冲击波也将半径3公里范围内的所以建筑全部摧毁，高温将整个东京市覆盖。市内一层层的建筑物加大了原子弹爆炸后产生的冲击波叠加效应，结果造成半径6公里范围内几乎所有的建筑被全部夷为平地。大火在整个东京市区内燃烧，中京区自不用说，许多建筑被夷平后，在高温下化为玻璃状物质。接着是新宿和池袋，冲击波将地面上的一切突出物吹走，并使毗邻的南区、北区的绝大部分建筑燃烧。秋叶原和涉谷的大部分建筑也遭到毁灭性的打击，所有可燃及非可燃物质都燃烧了起来。所有公园、植物园等地也全部燃起了大火。原子弹爆炸的瞬间，便杀死了至少7万人，11万人在一天内死亡，5万人在接下来的一周内死亡，更有近20万人没有活过三年，另有20余万人终身残疾。
相对于巨大的人员伤亡，对打击最大的是精神，在东京的市郊，有历代大部分天皇的皇陵。在其西北部，有众多天皇陵，这些天皇陵在地势平缓的桃山山脚，面对着市区，也等于是面对原子弹的爆炸方向，因此无仪例外的被大火席卷烧毁。在东南部的稻荷山山脚，也同样有六条天皇陵，后崛河天皇陵，孝明天皇陵，仲恭天皇陵，还有刚死去没几年的明仁天皇陵等，这些皇陵的命运也与西北角的天皇陵一样，更惨重的是在南方的鸟羽天皇陵，白河天皇陵和近卫天皇陵，由于没有建筑、山体等遮挡，在爆炸中，直接被高温和冲击波完全摧毁。东京在一瞬间变成了死城，连毗邻的向江户川也遭到了巨大的火灾。
虽然救护部队以最快的速度进入城区，但却很快被了回来。强烈的辐射使许多冲到最前面的人员失去了基本的行动能力，没有任何防护的救援人员一个接一个地倒下。